JP7568843B2 - 破裂ダイヤフラムを有する燃料隔離システム - Google Patents

Description

飛行体は、推進力および／または向きの調整のために燃料を燃焼する。一部の種類の飛行体では、燃料は「起動」するまで、飛行体の燃料システムの隔離セクション内に封じ込まれる。隔離セクションは、漏れのない封じ込めを保証するために堅牢である。起動すると、燃料が隔離セクションから放出され、それにより飛行体が推進力および／または方向調整のために作動可能となる。

本開示の一例による燃料隔離システムは、入口から出口へと延在する流路を画定するバルブ本体と、バルブ本体に一体化された破裂ダイヤフラムと、を含む。破裂ダイヤフラムは、流路内にあり、かつ入口を出口から流体的に密閉する。アクチュエータが、破裂ダイヤフラムに隣接して配置される。アクチュエータは、移動して破裂ダイヤフラムを破壊し、それにより入口と出口とを流体的に接続するように構成されたプランジャを含む。推進薬タンクが、バルブ本体の入口に取り付けられたまたはバルブ本体の入口と一体化された出口を有する。

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、アクチュエータは、熱アクチュエータである。

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、アクチュエータは、ワックスアクチュエータである。

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、プランジャは、ピストンである。

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、プランジャは、破裂ダイヤフラムを突き刺すように構成される。

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、破裂ダイヤフラムは、少なくとも１つのスコアラインを有する。

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、破裂ダイヤフラムは、湾曲している。

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態が、破裂ダイヤフラムに隣接し、かつ、アクチュエータから破裂ダイヤフラムの反対側に位置決めされたナイフエッジを含む。

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、破裂ダイヤフラムは、バルブ本体に溶接される。

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、破裂ダイヤフラムは、金属製である。

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、入口および出口に加えて、バルブ本体は、流路に開口し、かつ入口ではなく出口と流体接続されたテストポートを画定する。

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、出口は、フィルタを含む。

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、出口は、ベンチュリを含む。

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態が、入口に接続された燃料タンクを含む。

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、推進薬タンクは、加圧されたヒドラジンを含む。

さらなる実施形態では、前述の実施形態のいずれかの燃料隔離システムが、飛行体内にある。

本開示の様々な特徴および利点は、以下の詳細な説明から当業者に明らかになるであろう。詳細な説明に添付の図面は、次のように簡単に説明することができる。

宇宙船内の一例の燃料システムを示す図である。 作動状態にあり、破裂ダイヤフラムを破裂させた、燃料システムの隔離弁を示す図である。 一例の破裂ダイヤフラムの分離図である。 テストポートとともに構成された別の例の隔離弁を示す図である。 ダイヤフラム部にナイフエッジが隣接する別の例の隔離弁を示す図である。

飛行体（vehicles）における燃料システムの隔離セクションからの燃料の放出を制御する機構は、比較的複雑となりうる。このような機構は、確実に制御され、必要な時間にのみ燃料を放出するように作動する必要がある。理解されるように、これらの要件を満たすために、そのような機構は比較的複雑な設計を有する場合がある。それらの解決策は効果的であるが、設計自体だけでなく、設置手順や品質保証対策からも費用がかかる可能性がある。これらの方針に沿って、本開示から明らかなように、本明細書の独自の燃料隔離システム（fuel-isolation system）は、燃料の放出の起動を制御するための信頼できる損失コストオプションを提供することを意図する。

図１は、例示的な燃料システム２０（「システム２０」）を概略的に示す。図示のように、システム２０は、一般に２２で示される飛行体内にある。例えば、飛行体２２は人工衛星であるが、本開示はその他の種類の飛行体にも適用しうる。

システム２０は、ヒドラジンなどの燃料２６ａを収容する燃料タンク２６の出口２５と流体接続された隔離弁（isolation valve）２４を含む。例えば、出口２５は隔離弁２４に取り付けられているか、または一体化されている。隔離弁２４は、燃料システム２０の残りの部分から燃料２６ａを隔離する働きをし、燃料システム２０の残りの部分は、一般に２８で示されている。理解されるように、燃料システムの残りの部分２８は、流体ライン、バルブ、インジェクタ、および当該分野でよく理解されているその他のエンジンまたはスラスタコンポーネントを含みうる。

隔離弁２４は、バルブ本体３０から形成される。バルブ本体３０は、金属合金から形成され、圧力および使用条件下で漏れがない限り、単一部品または複数部品の構造であってもよい。バルブ本体３０は、入口３２、出口３４、および入口３２から出口３４まで延在する流路３６を含む。入口３２は、燃料タンク２６の出口２５に溶接される。この例では、隔離弁は、流路３６が約９０度向きを変えるような「エルボー」構成を有する。しかしながら、隔離弁２４および流路３６の経路の幾何学形状は変更可能であることを理解されたい。

隔離弁２４はさらに、流路３６内に配置された破裂ダイヤフラム（rupture diaphragm）３８と、破裂ダイヤフラム３８に隣接して配置されたアクチュエータ４０と、を含む。破裂ダイヤフラム３８は、入口３２を出口３４から流体的に密閉する。アクチュエータ４０は、（矢印４２で表されるように）伸長して動くように構成されたプランジャ４０ａを含む。アクチュエータ４０は、プランジャ４０ａが破裂ダイヤフラム３８と交差するストロークにわたって伸長可能なように配置される。例えば、約１／２インチのストロークで約１００ポンドの力を及ぼす。破裂ダイヤフラム３８は、プランジャ４０ａの伸長が破裂ダイヤフラム３８の破裂（breach）を引き起こすように、プランジャ４０ａの衝撃下で壊れやすい。

一例では、アクチュエータ４０は熱アクチュエータ（thermal actuator）である。熱アクチュエータの一例は、パラフィン（paraffin）アクチュエータなどの、ワックスアクチュエータである。熱アクチュエータは、プランジャ４０ａの伸長の形で熱エネルギーを機械エネルギーに変換する。パラフィンに基づく一例では、アクチュエータ４０は、パラフィンワックスの融解温度（約１７６°Ｆ）を超える温度などで、パラフィンワックスを加熱するように動作可能なヒータを含む。ワックスが溶融して膨張し、この膨張によりプランジャ４０ａが伸長する。理解されるように、その他の種類のアクチュエータを使用することも可能であるが、ワックスアクチュエータは、ヒータを作動させるための比較的単純なバイナリ・オン／オフ動作を有し、低コストである。

破裂前（図１）、破裂ダイヤフラム３８は、燃料２６ａがシステム２０内で隔離されたままとなるように、出口３４から入口３２を密閉する。システム２０が作動されたとき、アクチュエータ４０が作動してプランジャ４０ａを伸長させ、宇宙船２２が推進および／または方向調整のために動作可能になるように燃料を放出する。作動すると、図２に示すように、プランジャ４０ａが伸長して破裂ダイヤフラム３８を破裂させる。破裂すると、入口３２と出口３４が流体的に接続され、それにより燃料が隔離弁２４を通って、推進および／または方向調整のためにシステム２０の残りの部分２８に流れることができるようになる。さらなる一例では、隔離弁２４は、破れた破裂ダイヤフラム３８を取り外し、それを新しい破れていない破裂ダイヤフラム３８と交換することによって再使用することができる。

図３は、破裂ダイヤフラム３８の一例の分離図を示す。破裂ダイヤフラム３８は、ダイヤフラム部３８ａおよびリム３８ｂを含む。この例のダイヤフラム部３８ａは金属製であり、チタンまたはアルミニウム合金で形成される。この点に関して、破裂ダイヤフラム３８は、一般的に剛性であるが、燃料２６ａの隔離を維持できる限り、代替的に可撓性であってもよい。

この例では、ダイヤフラム部３８ａは、部分的に球状で、（プランジャ４０ａに向かって）凸状である。このような幾何学的形状により、ダイヤフラム部３８ａをプランジャ４０ａに比較的近づけることができ、それにより破裂に必要なストローク長が減少する。設計エンベロープおよびストローク長が許せば、ダイヤフラム部３８ａは、代替的に、円錐形、角錐形、またはその他の形状を有してもよく、凹面または平面でさえあってもよい。

図示の例では、ダイヤフラム部３８ａの表面は、少なくとも１本のスコアライン３８ｃを有する。スコアライン３８ｃは、プランジャ４０ａによる破裂を容易にするためにダイヤフラム部３８ａを弱める働きをする表面の溝である。リム３８ｂは、ダイヤフラム３８が隔離弁２４のバルブ本体３０に漏れのないように固定されることを可能にする。例えば、図１に示されるように、ダイヤフラム３８は、入口３２のフランジ３２ａに溶接されたリム３８ｂを介してバルブ本体３０に（すなわち、バルブ本体３０とともに）一体化される。付加的にまたは代替的に、一部または全てのダイヤフラム３８がバルブ本体３０に機械加工されてもよい。

図４は、別の例の隔離弁１２４を示す。この開示において、同様の参照符号は、適切な場合には同様の要素を示し、１００またはその倍数を加えた参照符号は、対応する要素の同じ特徴および利点を組み込むものと理解される修正された要素を示す。この例では、隔離弁１２４は、流れ試験用に構成されている。これに関して、入口３２および出口３４に加えて、バルブ本体３０は、流路３６に開口し、かつ、（少なくとも破裂ダイヤフラム３８の破裂前に）入口３２ではなく出口３４と流体的に接続されたテストポート４６を画定する。テストポート４６は、様々な試験装置を取り付けるための所望の形態のコネクタに適合させることができる。出口３４は、フィルタ４８およびベンチュリ５０を含む。フィルタ４８は、試験流体中の不純物の除去を容易にする働きをし、ベンチュリは、ウォーターハンマーの減少を助ける。

図５は、隔離弁２２４の別の例を示す。この例では、隔離弁２２４は、破裂ダイヤフラム３８に隣接する少なくとも１つのナイフエッジ５２を含む。ナイフエッジ５２は、アクチュエータ４０のプランジャ１４０ａから、破裂ダイヤフラム３２の反対側に位置決めされている。プランジャ１４０ａは、伸長すると、ダイヤフラム部３８ａをナイフエッジ５２に向かって偏向させる。ナイフエッジ５２とダイヤフラム部３８ａとの間の衝突により、ナイフエッジ５２はダイヤフラム部３８ａを破る。この破れは、入口３２と出口３４とが流体的に接続されるように破裂ダイヤフラム３８を破裂させるのに十分な切断、穿孔、引き裂き、またはその他の方法によって生じ、それにより燃料が推進および／または方向調整のために隔離弁２２４を通流することを可能にする。

図示の例では特徴の組み合わせが示されているが、本開示の様々な実施形態の利点を実現するためにそれらの全てを組み合わせる必要はない。言い換えれば、本開示の一実施形態に従って設計されたシステムは、必ずしも、図面のいずれか１つに示される特徴の全て、または図面に概略的に示される部分の全てを含むとは限らない。さらに、１つの例示的な実施形態の選択された特徴は、他の例示的な実施形態の選択された特徴と組み合わせることができる。

前述の説明は、本質的に限定ではなく例示的なものである。開示された例に対する変形および修正が、必ずしも本開示から逸脱するものではないことが当業者に明らかとなるであろう。本開示に与えられる法的保護の範囲は、以下の特許請求の範囲を検討することによってのみ決定することができる。

Claims (16)

1. 入口から出口へと延在する流路を画定するバルブ本体と、
   前記バルブ本体に一体化された破裂ダイヤフラムであって、前記流路内にあり、かつ前記入口を前記出口から流体的に密閉する、破裂ダイヤフラムと、
   前記破裂ダイヤフラムに隣接して配置されたアクチュエータであって、移動して前記破裂ダイヤフラムを破壊し、それにより前記入口と前記出口とを流体的に接続するように構成されたプランジャを含んだ、アクチュエータと、
   前記バルブ本体の前記入口に取り付けられたまたは一体化された出口を有する推進薬タンクと、
   を備え、
   前記アクチュエータが、パラフィンワックスと、前記パラフィンワックスを溶融させるように動作可能なヒータと、を含み、前記パラフィンワックスは、溶融して膨張し、その膨張により前記プランジャを伸長させて、前記破裂ダイヤフラムを破裂させるように構成される、燃料隔離システム。
2. 前記アクチュエータが、熱アクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載の燃料隔離システム。
3. 前記アクチュエータが、ワックスアクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載の燃料隔離システム。
4. 前記プランジャが、ピストンであることを特徴とする請求項１に記載の燃料隔離システム。
5. 前記プランジャが、前記破裂ダイヤフラムを突き刺すように構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料隔離システム。
6. 前記破裂ダイヤフラムが、少なくとも１つのスコアラインを有することを特徴とする請求項１に記載の燃料隔離システム。
7. 前記破裂ダイヤフラムが、湾曲していることを特徴とする請求項１に記載の燃料隔離システム。
8. 前記破裂ダイヤフラムに隣接し、かつ、前記アクチュエータから前記破裂ダイヤフラムの反対側に位置決めされたナイフエッジをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料隔離システム。
9. 前記破裂ダイヤフラムが、前記バルブ本体に溶接されることを特徴とする請求項１に記載の燃料隔離システム。
10. 前記破裂ダイヤフラムが、金属製であることを特徴とする請求項１に記載の燃料隔離システム。
11. 前記入口および前記出口に加えて、前記バルブ本体が、前記流路内に開口し、かつ前記入口ではなく前記出口と流体接続されたテストポートを画定することを特徴とする請求項１に記載の燃料隔離システム。
12. 前記出口が、フィルタを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料隔離システム。
13. 前記出口が、ベンチュリを含むことを特徴とする請求項１２に記載の燃料隔離システム。
14. 前記入口に接続された燃料タンクをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料隔離システム。
15. 前記推進薬タンクが、加圧されたヒドラジンを含むことを特徴とする請求項１４に記載の燃料隔離システム。
16. 請求項１に記載の燃料隔離システムを備えた、飛行体。

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