JP4815601B2 - Electric thermal rocket propulsion device - Google Patents
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Description
本発明は宇宙飛行体用推進装置に係り、宇宙飛行体の位置や姿勢、速度を保持あるいは所定に変更するためのロケット推進装置に関する。 The present invention relates to a spacecraft propulsion device, and more particularly to a rocket propulsion device for maintaining or changing the position, posture, and speed of a spacecraft to a predetermined value.
人工衛星などの宇宙飛行体は、軌道の保持・変更、姿勢制御などのために小型低推力の推進機を備えている。上記推進機には推進剤の化学エネルギを推進力源として用いる化学推進機があるが、化学推進機は推進剤の種類により性能が限定され、推進剤消費率当りの推進力(比推力)は高くない。 Spacecraft such as artificial satellites are equipped with small, low-thrust thrusters for maintaining or changing orbits and controlling attitude. The propulsion device has a chemical propulsion device that uses the chemical energy of the propellant as a propulsion source. However, the performance of the chemical propulsion device is limited by the type of propellant, and the propulsion force (specific thrust) per propellant consumption rate is not high.
化学推進機の性能の低さを解消するために、推進剤を電気的に加熱あるいは加速する電気推進機が実用化されている。電熱式推進機は電気推進機の一種であり、電気的に推進剤を加熱し、推進剤の得た熱エネルギをノズルを介して運動エネルギに変換することを利用して推進力を得る。実用化されている主な電熱式推進機には、アーク放電により推進剤を加熱する方式のアークジェット推進機と、電気ヒータを用い熱換器などを介して熱伝導や輻射によって推進剤に熱を伝達する方式のレジストジェット推進機があり、いずれも主にヒドラジンが推進剤として利用されている。
長年の使用実績から、電熱式推進機の推進剤としてはヒドラジンが主に用いられてきている。しかし、ヒドラジンは毒性が非常に高く人体あるいは環境へ与える影響を考慮する必要があるため地上での取り扱い手順は煩雑となり、また安全対策・処理などにも大きなコストを要する。また、ヒドラジンを電熱式推進機用推進剤として用いる場合、まず触媒で分解する必要があるため、システムが複雑化するとともに、打ち上げ時の振動による触媒の欠損および触媒の推進剤インジェクタへの侵入による流量の低下、長期使用による触媒劣化などの不安を抱えることから推進機の信頼性も低下する。さらにヒドラジン分解に有効な触媒であるShell405等は海外生産に頼っており、安定した入手の保証が無い。以上のことからヒドラジンを推進剤とする電熱式推進機は、多くの問題を有する。 Hydrazine has been mainly used as a propellant for electrothermal propulsion machines because of its long experience in use. However, since hydrazine is extremely toxic and needs to be considered for its effects on the human body or the environment, handling procedures on the ground are complicated, and safety measures and processing are costly. Also, when hydrazine is used as a propellant for an electrothermal propulsion device, it must first be decomposed with a catalyst, which complicates the system and causes catalyst loss due to vibration during launch and catalyst penetration into the propellant injector. The reliability of the propulsion unit is also reduced due to concerns such as a decrease in flow rate and catalyst deterioration due to long-term use. Furthermore, Shell405, which is an effective catalyst for hydrazine decomposition, relies on overseas production, and there is no guarantee of stable availability. From the above, the electrothermal propulsion device using hydrazine as a propellant has many problems.
これ等の問題を解決するために、本発明の発明者等は、PCT/JP2006−309443において、ヒドロキシルアンモニウムナイトレート(HAN)を酸化剤としエーテル等を燃料とする化学推進剤やそれらを用いた化学ロケットを提案している。PCT/JP2006−309443によると、低毒性で触媒を必要としない推進剤や推進機が成立するという効果もあるが、一方で酸化剤のタンクを余分に必要とするなどの装置の複雑化や、化学反応によることに起因する性能の限界の低さという問題もある。 In order to solve these problems, the inventors of the present invention used a chemical propellant using hydroxylammonium nitrate (HAN) as an oxidant and ether or the like as fuel in PCT / JP2006-309443, or the like. A chemical rocket is proposed. According to PCT / JP2006-309443, there is an effect that a propellant and a propulsion device that are low in toxicity and do not require a catalyst are established, but on the other hand, a complicated apparatus such as an extra oxidant tank is required, There is also the problem of low performance limitations due to chemical reactions.
本発明は上記問題を鑑み、電熱式推進機用推進剤の選択肢として新たに有効な物質を提案するとともに、その物質を用いた電熱式推進装置を供することを目的とする。In view of the above problems, an object of the present invention is to propose a new effective substance as an option for a propellant for an electrothermal propulsion device, and to provide an electrothermal propulsion apparatus using the substance.
発明者らは上記問題に鑑み、電熱式推進機用推進剤として有機化合物または有機化合物を組み合わせて使用し、該推進剤を使用した電熱式推進装置を考案することで本発明を完成するに至った。即ち、本発明は、タンクに貯蔵されている常温で1気圧以上の蒸気圧を有するエーテル類、天然ガス及び石油ガスのうちから選ばれるいずれか1種又は2種以上の混合物を使用する推進剤が、貯蔵タンクから推進機に連結されたバルブを開くことにより、推進剤自身が有する蒸気圧によって推進機に供給された後、推進機内においてアーク放電又は電気ヒータにより熱エネルギを与えられ、熱エネルギを得た推進剤がノズルを介して気体力学的加速されることにより推進力を得ることを特徴とする電熱式推進装置である。 In view of the above problems, the inventors have completed the present invention by devising an electrothermal propulsion device using an organic compound or an organic compound in combination as a propellant for an electrothermal propulsion device and using the propellant. It was. That is, the present invention is a propellant that uses any one or a mixture of two or more selected from ethers, natural gas, and petroleum gas having a vapor pressure of 1 atm or more at room temperature stored in a tank. However, by opening a valve connected to the propulsion unit from the storage tank, the propellant itself is supplied to the propulsion unit by the vapor pressure of the propellant itself, and then given thermal energy by arc discharge or an electric heater in the propulsion unit. An electrothermal propulsion device is characterized in that the propellant obtained by obtaining a propulsive force by being gas-dynamically accelerated through a nozzle.
また本発明は、ジメチルエーテルを推進剤として使用することを特徴とする請求項1記載の電熱式推進装置である。 The present invention is the electrothermal propulsion device according to claim 1, wherein dimethyl ether is used as a propellant.
本発明によって、推進剤を現行のヒドラジンから有機化合物に代えた電熱式推進装置を提供できることから、推進剤の毒性に起因する、地上での取り扱い性、環境への悪影響などの問題が解決される。また本発明による電熱式推進装置では触媒を必要としないことから、振動による触媒の欠損、触媒のインジェクタへの侵入による推進剤流量の低下、長期間の使用による触媒性能の劣化の問題も回避され、信頼性も向上する。 The present invention can provide an electrothermal propulsion device in which the propellant is replaced with an organic compound from the current hydrazine, thereby solving problems such as handling on the ground and adverse effects on the environment due to the toxicity of the propellant. . In addition, since the electrothermal propulsion device according to the present invention does not require a catalyst, problems of catalyst loss due to vibration, reduction of the propellant flow rate due to the catalyst entering the injector, and deterioration of catalyst performance due to long-term use can be avoided. Reliability is also improved.
さらに本発明では、PCT/JP2006−309443で提案しているような、推進剤を酸化剤と化学反応を起こす必要もなく、電力が調達できる衛星環境にあっては、始動と停止や推進力の増強をアーク放電などの電力の入切や投入電力調整で行うことが出来る簡便さがもたらされ、また比推力に代表される高性能化がはかれるため、飛翔体の位置や姿勢、速度を保持あるいは所定に変更するために十分な推進力を得ることができる。 Furthermore, in the present invention, it is not necessary to cause a chemical reaction between the propellant and the oxidant as proposed in PCT / JP2006-309443, and in a satellite environment where electric power can be procured, start and stop and Ease of power can be increased by turning on / off electric power such as arc discharge and adjusting the input power, and high performance represented by specific thrust is achieved, so the position, attitude and speed of the flying object are maintained. Alternatively, sufficient propulsive force can be obtained to change the predetermined.
本発明の有機化合物は、自身の蒸気圧によって作動部へ供給されることから推進剤供給用加圧ガスやガスタンクを必要とせず、結果として推進装置の重量を低減することができる。 Since the organic compound of the present invention is supplied to the working part by its own vapor pressure, it does not require a pressurized gas for supplying a propellant or a gas tank, and as a result, the weight of the propulsion device can be reduced.
さらに推進剤として用いる有機化合物を同時に燃料電池の水素キャリアとして利用することで、推進剤を推進系と電力供給系で共用することが出来るといった新たな効果がもたらされる。とりわけジメチルエーテルは、他の有機化合物と比較して低温で水素に変換することができ、硫黄化合物などの不純物が少ない等の特徴から非常に燃料電池の水素キャリアとして有望である。 Further, by using the organic compound used as the propellant as a hydrogen carrier of the fuel cell at the same time, a new effect is brought about such that the propellant can be shared by the propulsion system and the power supply system. In particular, dimethyl ether can be converted to hydrogen at a lower temperature than other organic compounds, and is very promising as a hydrogen carrier for fuel cells because it has less impurities such as sulfur compounds.
以下に本発明実施の一形態を示すが、本発明はこれに限らない。本発明では有機化合物として、エーテル類および天然ガス、石油ガスを用いる。エーテル類としてはこれ等に限定するものではないが、例えばジメチルエーテル、エチルメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチルビニルエーテル等がある。また、天然ガス、石油ガスはメタン、エタン、プロパン、ブタン等が構成物であり、これ等を推進剤として用いる場合、ジメチルエーテルのように単独の化合物であっても良いし、エーテル類、天然ガス、石油ガスの混合物として用いても良い。 An embodiment of the present invention is shown below, but the present invention is not limited to this. In the present invention, ethers, natural gas, and petroleum gas are used as the organic compound. Examples of ethers include, but are not limited to, dimethyl ether, ethyl methyl ether, diethyl ether, ethyl vinyl ether, and the like. Natural gas and petroleum gas are constituents of methane, ethane, propane, butane, etc., and when these are used as propellants, they may be single compounds such as dimethyl ether, ethers, natural gas. It may be used as a mixture of petroleum gas.
これらの有機化合物の中で最も好ましいのは、毒性が低く地上での取り扱い性や貯蔵性に優れ、ヒドラジンに比べ安全対策や処理の面でコストのかからないジメチルエーテルである。また、ヒドラジンの凝固点が1.4℃と比較的高いことに比べ、ジメチルエーテルの凝固点は−138.5℃と低いことから凍結防止のためにヒータを用いずとも推進剤を液体状態で保つことができる。 Among these organic compounds, dimethyl ether is most preferred because it is low in toxicity and excellent in handling and storage on the ground, and is less expensive in terms of safety measures and treatment than hydrazine. In addition, since the freezing point of hydrazine is as low as 1.4 ° C., the freezing point of dimethyl ether is as low as −138.5 ° C., so that the propellant can be kept in a liquid state without using a heater to prevent freezing. it can.
さらに、ジメチルエーテルは、沸点が−24.8℃とかなり低く常温では約6atmの蒸気圧を持つことから、例えば常温付近でタンクに貯蔵した場合では、自律的に推進機への供給圧力として好ましい圧力が維持されて、通常別途必要とされる推進剤を圧送するための加圧用気体を必要としない。さらに、ジメチルエーテルは改質を行うことで水素を取り出すことが可能であり、他の有機化合物と比較して低温で水素に変換することができる。硫黄化合物などの不純物が少ない等の特徴を持つことから非常に燃料電池の水素キャリアとして有望であり、推進系と電力供給系の両方で燃料を共用することが可能となる。 Furthermore, since dimethyl ether has a very low boiling point of −24.8 ° C. and has a vapor pressure of about 6 atm at room temperature, for example, when it is stored in a tank near room temperature, it is a preferable pressure as a supply pressure to the propulsion device autonomously. Is maintained, and a gas for pressurization for pumping a normally required propellant is not required. Furthermore, dimethyl ether can take out hydrogen by reforming and can be converted to hydrogen at a lower temperature than other organic compounds. Since it has features such as low impurities such as sulfur compounds, it is very promising as a hydrogen carrier for fuel cells, and it is possible to share fuel in both the propulsion system and the power supply system.
以上の利点から本発明が選択する推進剤としてはジメチルエーテル単体、あるいはジメチルエーテルを主成分とする混合物が好ましく、推進剤を混合物とする場合はジメチルエーテルの重量割合が80%以上であることが好ましい。本電熱式推進機は推進力源として、主に電気エネルギを用い燃焼反応を利用しないので酸化剤は必要でない。
ジメチルエーテルに混合する推進剤としては、ジメチルエーテルとの混合に問題が無ければ特に限定されるものではないが、具体的にはエーテル類および天然ガス、石油ガスが考えられる。ジメチルエーテルの重量割合が80%未満になると、放電特性が悪くなったりススなどの衛星に悪影響を与える物質を発生するなどの観点から好ましくない。From the above advantages, the propellant selected by the present invention is preferably dimethyl ether alone or a mixture containing dimethyl ether as a main component. When the propellant is a mixture, the weight ratio of dimethyl ether is preferably 80% or more. Since this electrothermal propulsion device mainly uses electric energy as a propulsion power source and does not use a combustion reaction, an oxidant is not necessary.
The propellant mixed with dimethyl ether is not particularly limited as long as there is no problem with mixing with dimethyl ether, but specific examples include ethers, natural gas, and petroleum gas. If the weight ratio of dimethyl ether is less than 80%, it is not preferable from the standpoint that discharge characteristics are deteriorated and substances such as soot are adversely affected.
推進剤の質量流量は目的の推進力に応じて広範囲に選択できるが、推進機の主な目的である人工衛星の軌道変更・保持、姿勢制御等に必要な推進力は、電熱式推進機の場合最大でも1N程度であることから100mg/秒程度以下の範囲となる。また、宇宙空間で使用できる電力は限られており、数十〜500Wの範囲で作動する低電力電熱式推進機が求められている。そのため本発明の使用電力も数十〜500Wの範囲であることが好ましく、最大でも3kW程度までであることが好ましい。しかしこれは特に推進機に用いる電力を限定するものではない。 The mass flow rate of the propellant can be selected in a wide range according to the desired propulsive force, but the propulsive force necessary for changing the satellite's orbit, which is the main purpose of the propulsion device, attitude control, etc. In this case, since it is about 1N at the maximum, the range is about 100 mg / second or less. In addition, the power that can be used in outer space is limited, and a low-power electric thermal propulsion device that operates in the range of several tens to 500 W is demanded. Therefore, the power used in the present invention is preferably in the range of several tens to 500 W, and is preferably up to about 3 kW. However, this does not particularly limit the power used for the propulsion device.
また、放電による推進剤の加熱方法に替えて、電気ヒータなどを用いて推進剤を加熱することで放電を利用せず電気的に推進剤を加熱することも可能である。さらに何らかの原因により電気的な加熱を利用できない状況となっても、本発明で使用する推進剤はヒドラジンと異なり高い蒸気圧を有するため、その圧力をノズルを介して運動エネルギに変換することで推進機としての機能を維持することができる。よって本発明の電熱式推進機はアーク放電を利用するアークジェットモードと電気ヒータにより加熱され熱エネルギを得た推進剤がノズルを介して気体力学的加速されることにより推進力を得るレジストジェットモード、放電あるいは電気ヒータによる加熱を行わず推進剤が有する蒸気圧力の気体力学的加速だけで推進力を得るコールドジェットモード、以上の3つのモードを同時に有しそのいずれででも作動することが可能なマルチモード推進装置として使用できる。 Further, instead of using a method for heating the propellant by electric discharge, the propellant can be heated electrically without using electric discharge by heating the propellant using an electric heater or the like. Furthermore, even if electrical heating cannot be used for some reason, the propellant used in the present invention has a high vapor pressure unlike hydrazine, so propulsion is achieved by converting the pressure into kinetic energy via a nozzle. The function as a machine can be maintained. Therefore, the electrothermal propulsion device of the present invention includes an arc jet mode using arc discharge and a resist jet mode in which a propellant heated by an electric heater and obtained thermal energy is accelerated by gas dynamics through a nozzle to obtain a propulsive force. , Cold jet mode in which propulsion is obtained only by vapor dynamic acceleration of the vapor pressure of the propellant without discharge or heating by an electric heater, and the above three modes can be operated simultaneously in any of the above three modes. Can be used as a multi-mode propulsion device.
アーク放電モードは、電力が十分ある場合に適しており、大きな推進力を得ることができる。レジストジェットモードは、使える電力が十分ではないときに適しており、中程度の推進力を得ることができる。コールドジェットモードでは、電力切れや事故などで、電気が使えないときにも推力を得ることが可能である。ガス発生部に、ヒータ線を設置しておけば、ヒーター電源を入れた状態では、レジストジェットモードとなり、電源を入れなければコールドジェットモードとなる。アークジェットモードはレジストジェットモード又はコールドジェットモードを組み合わせることができ、アークジェットモードとレジストジェットモードの組み合わせにより、最大の推進力を得ることができる。 The arc discharge mode is suitable when there is sufficient electric power, and a large driving force can be obtained. The resist jet mode is suitable when the power that can be used is not sufficient, and a moderate driving force can be obtained. In the cold jet mode, it is possible to obtain thrust even when electricity is not available due to power outage or accident. If a heater wire is installed in the gas generator, the resist jet mode is set when the heater is turned on, and the cold jet mode is set when the power is not turned on. The arc jet mode can be combined with the resist jet mode or the cold jet mode, and the maximum propulsive force can be obtained by the combination of the arc jet mode and the resist jet mode.
図1のような電熱式推進機を試作し、ジメチルエーテルを推進剤として作動試験を行った。ここでの放電電極間距離は図1にあるように、陰極先端がコンストリクタ入口と同じになるように設定した。推進剤流量は34mg/秒である。陰極1と陽極2の間で放電用電源3を用いアーク放電を発生させることでジメチルエーテルは加熱を受け、ノズル4を介して膨張させることで推進剤の持つ熱エネルギが運動エネルギに変換され高速ジェットとして排出される。またこのときジメチルエーテルは、推進剤タンク5から安定した供給圧力を得るためにレギュレータにより4atmに減圧した状態で推進剤供給口6から旋回羽7を通過して放電部に供給される。以上の条件で行った実験での放電電流は12A、放電電圧は24Vであり、本発明のアークジェット推進機が300W級で動作することを確認した。 An electric heating propulsion device as shown in FIG. 1 was prototyped and an operation test was conducted using dimethyl ether as a propellant. The distance between the discharge electrodes here was set so that the cathode tip was the same as the inlet of the constructor, as shown in FIG. The propellant flow rate is 34 mg / second. By generating an arc discharge using the discharge power source 3 between the cathode 1 and the
化学平衡計算によりヒドラジン、ジメチルエーテルおよびメタンを推進剤としたときの電熱式推進機の比推力および排出ジェットの組成を作動部圧力P=4atm,ノズル膨張比ε=100を条件として解析した。図2および図3はその結果を示す。図2は、ヒドラジンを推進剤とした場合に比べ、ジメチルエーテル、メタンを推進剤としたいずれの場合も、比推力の低下は数%にとどまることを示しており、推進剤の凍結を防止するための電力を使用しないですむことや、触媒を利用しないために推進装置の構造が簡易になることを考慮すると、十分利用価値のある性能を有することを示している。また図3はジメチルエーテルを推進剤として用いた場合の排気ジェットの組成を示している。 The specific thrust of the electrothermal propulsion device and the composition of the exhaust jet when hydrazine, dimethyl ether and methane were used as propellants were analyzed by chemical equilibrium calculation under the conditions of the operating part pressure P = 4 atm and the nozzle expansion ratio ε = 100. 2 and 3 show the results. FIG. 2 shows that the decrease in specific thrust is only a few percent in both cases where dimethyl ether and methane are used as propellants compared to the case where hydrazine is used as a propellant. In order to prevent the propellant from freezing. In view of the fact that it is possible to eliminate the need for electric power, and that the structure of the propulsion device is simplified because no catalyst is used, the performance is sufficiently useful. FIG. 3 shows the composition of the exhaust jet when dimethyl ether is used as a propellant.
本発明の電熱式推進装置は毒性の低い有機化合物を推進剤とし、触媒や推進剤加圧用ガスを必要としないため、生産コストや信頼性ともに向上する。よって宇宙飛行体用推進装置に適し、特に人工衛星の軌道変更・保持、姿勢制御等に利用する推進装置に適する。 The electrothermal propulsion device of the present invention uses a low-toxic organic compound as a propellant and does not require a catalyst or a propellant pressurizing gas, so that both production cost and reliability are improved. Therefore, it is suitable for a propulsion device for a space vehicle, and particularly suitable for a propulsion device used for changing or maintaining an orbit of an artificial satellite, attitude control, or the like.
1 陰極
2 陽極
3 放電用電源
4 ノズル
5 推進剤タンク
6 推進剤供給口
7 旋回羽1
Claims (2)
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