パイロ弁とは"pyrovalve"の訳で、pyrovalveはpyrotechnic operated valveの略らしい。pyrotechnicはパイロテクニクス、火工品の意味で、身近なところでは舞台演出や映画等に使用されるもので、ざっくりというと火薬を使うものをパイロ○○と言うらしい。
このパイロ弁だが、NASAのPDFに図解があったので引用する。
https://www.nasa.gov/sites/default/files/files/345988main_NESCTB09-01_PyroValves.pdf
この図はnormally closedと書いてあるとおり、いわゆるNCバルブ。normally openもあるらしい。
この図の赤の部分、上部のInitiatorsとBoosterが火薬。
Share Tubeに流体を流すが、NCの場合はShare Tubeの間の部品によって閉鎖されている。
Initiatorsを起爆すると、Primary Chamber Assemblyの経路を通ってBoosterに点火され、このエネルギーによってRamが弾かれてShear Tubeの間の部品が外され、またRamがShear Tubeの付け根に突き刺さることにより、チャンバーの方に流体が流れることを防止する。
ちなみに、Ramは衝角の意味で、昔の戦艦が使っていたものと同様。
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パイロ弁の写真は以下のページがわかりやすい。
Pyrotechnic Valves for Space Propulsion Systems
通常の配管の途中に挿入される。
各種仕様も書かれている。
様々な流体を通すことができ、ヘリウム、アルゴン、窒素、ヒドラジン、キセノン、等々。
動作温度範囲は-100℃から+100℃あたりで、動作させてから7msec未満で動作するらしい。
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なぜパイロ弁が必要なのか。
衛星などのスラスタには「ハイパーゴリック」と呼ばれる、推進剤を供給するだけで点火され高温のガスが吹き出すタイプのものが多用される。
要は「燃料を供給すれば高温高圧ガスが吹き出す」というもので、衛星のハンドリング中や燃料の注入作業中に燃料がリークした場合、スラスタから高温高圧ガスが吹き出すことになる。また、ロケットで打ち上げる際の数十Gに上る振動や、分離時の数百-数千Gで燃料が漏れ出すと、これもマズイことになる。
ということで、多少の事では開かず、開いてほしいときには確実に開いてくれるバルブが必要、ということになる。
火工品は火薬を使うから1回しか作動させられないが、そもそも「確実に閉まっていたところを確実に開く」という1回だけ動作すればいいから、それで問題ない。
また、アポジキックモーターのような、最初に使ったら終わり、というスラスタでは、ラインを開けたままにしておくと酸化剤が逆流したり、いろいろと悪影響が想定されるため、ノーマルオープンのパイロ弁でラインを閉鎖したりもするらしい。
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JAXAの衛星である"かぐや"(SELENE)の推進系の図を見てみると、パイロ弁は4個が搭載されていて、この内の2個がNC、2個がNOの構成。また、NCは2個が並列で冗長系とされており、NOは単独(非冗長系)で使用されている。
打ち上げ後、パイロ弁一つを開放し、GHe(ガスヘリウム)タンクの圧力でNTO(酸化剤)とN2H4(ヒドラジン)のタンクを加圧し、アポジキックモーター(静止衛星から転用されたため)にヒドラジンと酸化剤を供給、これにより軌道変更を行った。
月軌道に投入されたあとは、2つのNOパイロ弁を閉鎖している。これは、NTOがGHeタンクに逆流したり、N2H4タンクに流入することを防止する、GHeが調圧弁をリークしてN2H4タンクが高圧になることを防止する、というのが理由とのこと。
一つ腑に落ちないのは、軌道投入後に閉鎖されるパイロ弁が、N2H4タンクの上流にも入っている点。ということは、軌道投入後はN2H4は加圧されていないということだろうか? N2H4って非加圧で流れるものなんだろうか。
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ところで、パイロ弁にremove before flightタグがついていて、見る感じ、コネクタはBNCの変形のような感じだけど、これの安全装置ってどういうモノなんだろうか?
Remove Before Flightがついてる部品はコネクタ部を塞ぐ構造のようだけど、いちいち打ち上げ前にコネクタの付替えを行う必要があるんだろうか。それはそれで作業ミスの原因になりそうだが。だからパイロ弁はイニシエータが2個ついてて、それを更に冗長系にしてたりするんだろうか?
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そういえば、ミニスカ宇宙海賊でもパイロ弁を使ったギミックが出てきてたね。
アレは電気的な点火ではなく、人間がボタンを押したらそこでプライマーが起爆して導爆線を経由してバルブを開く、というモノだったけど。
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