JP2004250244A

JP2004250244A - ロケット用固体燃料組成物

Info

Publication number: JP2004250244A
Application number: JP2003039509A
Authority: JP
Inventors: Iwao Komai; 巌駒井; Yasushi Kobayashi; 康小林; Ko Sato; 航佐藤; Yasushi Niimi; 泰史新美
Original assignee: NOF Corp
Current assignee: NOF Corp
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2004-09-09

Abstract

【課題】焼失速度を低下させることにより目的とされる用途に応じたロケットの設計範囲を広げることが可能であり、同時に焼失速度の圧力依存性が低いロケット用の固体燃料組成物、およびロケット用固体燃料の焼失速度を改良する方法を提供する。
【解決手段】酸化剤の主成分が過塩素酸塩であるロケット用固体燃料組成物において、アルカリ土類金属の炭酸塩を含有することを特徴とするロケット用固体燃料組成物、およびアルカリ金属の炭酸塩を含有させることによって、酸化剤の主成分が過塩素酸塩であるロケット用固体燃料の焼失速度を改良する方法。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼失速度を低下させることにより燃料の消費量を抑えることが可能であり、同時に焼失速度の圧力依存性が低いロケット用の固体燃料組成物、およびロケット用固体燃料の焼失速度を改良する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロケット用固体燃料の代表的な例としては、燃料成分とマトリックス化成分を兼ねたバインダおよび過塩素酸アンモニウム等の酸化剤を主成分とし、必要に応じてアルミニウム粉末を助燃剤として含むロケット用固体燃料が知られている。そしてその優れた燃焼特性および機械的特性により、ロケット用固体燃料として幅広く使用されている。
【０００３】
近年、ロケットを高性能化する要求の１つとして、幅広く焼失速度を調整可能なロケット用固体燃料が求められており、そのために焼失速度調整剤が添加剤として加えられるようになってきた。
例えば、焼失速度を高め短時間に大きな推力を得るための添加剤としては酸化鉄が知られている（例えば、特許文献１参照）。
一方、燃料の焼失速度の低下により燃料の消費量を抑えて長時間の使用を可能とするための添加剤としては、オキサミドのような有機アミン誘導体（例えば、特許文献２参照）およびフッ化リチウム、炭酸リチウムなどのリチウム化合物（例えば特許文献３参照）などが知られている。
【０００４】
なお、アルカリ土類金属の炭酸塩を速度調整剤として使用する例はあるが、用いられている燃料が硝酸エステルをベースとするものであり、その効果は焼失速度を逆に高めるものである（例えば、特許文献４参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平３−９７６８７号公報（第２頁）
【特許文献２】
米国特許第３，６２５，７８２号明細書（第５頁）
【特許文献３】
特開平１−２４９６８４号公報（第２頁）
【特許文献４】
特開平６−２４９０６９号公報（第４頁）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献２で開示された有機アミン誘導体や特許文献３で開示されたリチウム化合物は燃料の焼失速度を低下させるものの、添加量に対する焼失速度の変化量はそれ程大きくないため、目的とする効果を確保するためには添加量が必然的に多くなる。
その結果、燃料中のバインダの重量比が低下し、機械的特性の悪化や製造時の混練性が悪くなるという問題点があった。
さらに上記有機アミン誘導体は高価であり、かつ容易に手に入らないという問題点もあった。
【０００７】
本発明の目的は、焼失速度を低下させることにより目的とされる用途に応じたロケットの設計範囲を広げることが可能であり、同時に焼失速度の圧力依存性が低いロケット用の固体燃料組成物、およびロケット用固体燃料の焼失速度を改良する方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するため鋭意研究を重ねた結果、過塩素酸塩を含有するロケット用の固体燃料組成物において、焼失速度調整のための添加剤として無機炭酸塩を共存させることによって、これらの問題を解決できることの知見を得て本発明を完成した。
【０００９】
即ち、第１の発明は、酸化剤の主成分が過塩素酸塩であるロケット用固体燃料組成物において、アルカリ土類金属の炭酸塩を含有することを特徴とするロケット用固体燃料組成物である。
【００１０】
第２の発明は、アルカリ金属の炭酸塩を含有させることによって、酸化剤の主成分が過塩素酸塩であるロケット用固体燃料の焼失速度を改良する方法である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明は、酸化剤の主成分が過塩素酸塩であるロケット用固体燃料組成物において、アルカリ土類金属の炭酸塩を１０重量％以下含有することを特徴とするロケット用固体燃料組成物である。
固体燃料組成物の主成分は、通常、過塩素酸塩、バインダおよびアルカリ土類金属の炭酸塩である。
用途に応じて、その他の酸化剤、助燃剤としての金属粉末やその他の添加剤がさらに添加することができる。
【００１２】
前記過塩素酸塩は酸化剤としての機能を有するものであり、具体例としては、例えば、過塩素酸アンモニウムや過塩素酸カリが挙げられる。
固体燃料組成物中に占める過塩素酸塩の含有量は、通常４５〜９０重量％であり、好ましくは５５〜８８重量％である。
但し、その他酸化剤及び金属粉末の両方共含まない場合には、通常６５〜９０重量％であり、好ましくは７５〜８８重量％である。
過塩素酸塩の含有量が４５重量％未満の場合、またその他酸化剤及び金属粉末の両方共含有しない場合に６５重量％未満であると、酸化剤が不足することにより燃料としてのエネルギーが低下する傾向にある。
一方、過塩素酸塩の含有量が９０重量％を超える場合には、いずれの場合にもバインダの量が不足するため、機械的特性が低下する傾向にある。
【００１３】
その他の酸化剤は、燃焼温度の低減、安全性の向上、環境に対する影響の低減等の観点から過塩素酸塩と併用することができる。
その他の酸化剤とは、過塩素酸塩以外の公知の酸化剤であり、その具体例として、例えば、硝酸アンモニウム、硝酸カリウムなどの硝酸塩や三酸化モリブデン、三酸化ビスマスなど金属酸化物があげられる。その他酸化剤を固体燃料組成物中に含有する場合、含有量は、通常２０重量％以下、好ましくは１８重量％以下である。
但し、併用した場合における酸化剤の含有量の総量は、前記固体燃料組成物中に占める過塩素酸塩の含有量と同一である。
【００１４】
前記アルカリ土類金属の炭酸塩の例としては炭酸マグネシウム、炭酸カルシウムおよび炭酸バリウムなどが挙げられ、１種または２種以上が使用される。
固体燃料組成物中に占めるアルカリ土類金属の炭酸塩の平均粒径は１００μｍ以下、好ましくは０．０１〜５０μｍであり、平均粒径が大きい場合は焼失速度を低減させる効果が小さくなるため望ましくない。また、その含有量は、金属粉末を含有しない場合も含有する場合も通常１０重量％以下、好ましくは０．１〜５重量％である。無機炭酸塩の含有量が１０重量％を超える場合には単位重量当たりのエネルギーが低下する傾向にある。
【００１５】
前記バインダとしては、従来公知の全てのバインダが使用可能である。例えば、分子の末端に水酸基を平均２〜２．５個有する平均分子量２０００〜４０００の液状ポリブタジエンや分子の末端に水酸基を平均２〜２．５個有する平均分子量１０００〜２０００のポリアルキレングリコールまたはその誘導体等をポリイソシアネートで硬化させたものや、分子の末端にカルボン酸を平均約２〜２．５個有する平均分子量２０００〜４０００の液状ポリブタジエンをアジリジンで硬化させたもののように液状高分子と硬化剤の反応から得られるバインダや３，３−ビス（エトキシメチル）オキセタン（ＢＥＭＯ）の重合体をハードセグメントとし、３，３−ビス（メトキシメチル）オキセタン（ＢＭＭＯ）とテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）の共重合体をソフトセグメントとする熱可塑性樹脂のバインダなどである。
また、バインダ中には燃料の機械的特性を調整するためのジオクチルアジペート（ＤＯＡ）等の可塑剤、粒子とバインダを結合させるためのトリス−１（２−メチルアジリジニル）フォスフィンオキシド（ＭＡＰＯ）等のボンディング剤等の成分を含有させることが可能である。
【００１６】
固体燃料組成物中に占めるバインダの含有量は、金属粉末を含有しない場合も含有する場合も通常８〜２５重量％であり、好ましくは１０〜２０重量％である。
バインダの含有量が、８重量％未満の場合には機械的特性が低下し、一方、２５重量％を超える場合には単位重量当たりのエネルギーが低下する傾向にある。
【００１７】
また、前記金属粉末としては例えばアルミニウム粉末、マグネシウム粉末およびこれらの混合物、もしくはアルミニウムとマグネシウムとの合金の粉末などが使用される。
金属粉末の平均粒径は、通常１００μｍ以下であり、好ましくは１〜５０μｍである。金属粉末の粒径が１００μｍを超える場合には金属粉末の燃焼完結性が悪くなり、単位重量当たりのエネルギーが低下する傾向にある。
固体燃料組成物中に占める金属粉末の含有量は、通常３０重量％以下であり、好ましくは０．１〜２２重量％である。
金属粉末の含有量が３０重量％を超える場合には金属粉末の燃焼完結性が悪くなり、単位重量当たりのエネルギーが低下する傾向にある。
【００１８】
またその他の添加剤としては、例えばアルミナ、炭化ジルコニウム等のような金属酸化物もしくは金属炭化物などの振動燃焼抑制剤等をさらに加えることができる。
【００１９】
ロケット用固体燃料組成物の具体的な配合割合として、以下のような例が挙げられる。
（１）過塩素酸塩６５〜９０重量％、高分子マトリックス８〜２５重量％およびアルカリ土類金属の炭酸塩１０重量％以下を含有するロケット用固体燃料組成物。
（２）過塩素酸塩４５〜９０重量％、高分子マトリックス８〜２５重量％、アルカリ土類金属の炭酸塩１０重量％以下およびその他酸化剤２０重量％以下を含有するロケット用固体燃料組成物。
（３）過塩素酸塩４５〜９０重量％、高分子マトリックス８〜２５重量％、アルカリ土類金属の炭酸塩１０重量％以下および金属粉末３０重量％以下を含有するロケット用固体燃料組成物。
（４）過塩素酸塩４５〜９０重量％、高分子マトリックス８〜２５重量％、アルカリ土類金属の炭酸塩１０重量％以下、その他酸化剤２０重量％以下および金属粉末３０重量％以下を含有するロケット用固体燃料組成物。
【００２０】
本発明の固体燃料組成物の製造方法としては、例えば、全ての原料を所定の温度下で混練してスラリー状態とした後、所定の型に注入して所定の温度および時間で硬化させる方法である。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を具体例によって説明する。
なお、焼失速度およびその圧力依存性は次に示す試験方法により測定した。
焼失速度およびその圧力依存性：
最初に硬化後の固体燃料からサンプル（７ｍｍ×７ｍｍ×９０ｍｍ）を切り出し、その柱状の側面部分をメラミン樹脂等により厚さ０．５ｍｍ程度となるように被覆した後、サンプルの上部より約１ｃｍの所に点火用のニクロム線を、さらにサンプル棒の上部より３ｃｍ、５ｃｍ、７ｃｍのそれぞれの所に焼失速度測定用のヒューズ線を通した。
試料を２０℃の温度に調節し、同様に２０℃に調温された圧力容器内に挿入し、窒素ガスを充填することによって加圧した後にニクロム線に通電することにより固体燃料に点火し、３本のヒューズ線が溶断する時間差を測定することによって固体燃料の焼失速度を求めた。
【００２２】
なお、焼失速度低下率は比較例１で得られた固体燃料を比較物質とし、各圧力における焼失速度に対して、式（焼失速度低下率）＝｛１００−（対象物質の焼失速度）／（比較物質の焼失速度）×１００｝に基づいて計算した値である。
【００２３】
また、この試験を窒素ガスによる圧力１〜１２ＭＰａの範囲で試験を行うことによって圧力と焼失速度の関係を求め、それを式（焼失速度＝定数×（圧力）^ｎ）で近似した場合のｎの値を焼失速度の圧力依存性の目安とした。
【００２４】
実施例１
液状ポリブタジエン（末端水酸基の数：平均２．１個、平均分子量：２８００）１２．９６重量部、ポリイソシアネートとしてのイソホロンジイソシアネート（以下、ＩＰＤＩと略記する。）１．０４重量部、平均粒径２０μｍの過塩素酸アンモニウム２０．４重量部、平均粒径２００μｍの過塩素酸アンモニウム４７．６重量部、平均粒径１０μｍのアルミニウム粉末１８重量部および平均粒径１０μｍの炭酸カルシウム２重量部を混練してスラリー状態の混合物を得た。
【００２５】
次に、それを減圧下で型に流し込んだ後、液状ポリブタジエンとＩＰＤＩを６０℃の条件下で１０日間反応（液状ポリブタジエンとＩＰＤＩとからブタジエンバインダを形成）させることにより固体燃料を得た。
表１に組成割合、そして表２に固体燃料の圧力５ＭＰａおよび１０ＭＰａにおける焼失速度、および焼失速度の圧力依存性の試験を行い、その結果を示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
（注）表中の数値は重量部である。なお備考欄には使用した添加物の種類を示した。
【００２８】
【表２】

【００２９】
実施例２
炭酸カルシウムの代わりに平均粒径１０μｍの炭酸バリウムを用いること以外は実施例１と同様の操作を行って固体燃料を得た後、各種試験を行った。その結果を表２に示す。
【００３０】
比較例１
炭酸カルシウム２重量部を用いないこと以外は実施例１と同様の操作を行って固体燃料を得た後、各種試験を行った。その結果を表２に示す。
【００３１】
比較例２
炭酸カルシウムの代わりに平均粒径１０μｍの炭酸リチウム２重量部を用いること以外は実施例１と同様の操作を行って固体燃料を得た後、各種試験を行った。その結果を表２に示す。
【００３２】
比較例３
炭酸カルシウムの代わりに平均粒径１０μｍのオキサミド２重量部を用いること以外は実施例１と同様の操作を行って固体燃料を得た後、各種試験を行った。その結果を表２に示す。
【００３３】
実施例３
液状ポリブタジエン（末端水酸基の数：平均２．１個、平均分子量：２８００）１３．８９重量部、ＩＰＤＩ１．１１重量部、平均粒径２０μｍの過塩素酸アンモニウム８５重量部および平均粒径１０μｍの炭酸バリウム２重量部を用いて実施例１と同様の操作を行って固体燃料を得た後、各種試験を行った。表３に組成割合を示し、表４に評価結果を示す。
【００３４】
【表３】

【００３５】
（注）表中の数値は重量部である。なお備考欄には使用した添加物の種類を示した。
【００３６】
【表４】

【００３７】
比較例４
炭酸カルシウム２重量部を用いないこと以外は実施例３と同様の操作を行って固体燃料を得た後、各種試験を行った。その結果を表４に示す。
【００３８】
焼失速度を低下させる添加剤として炭酸カルシウムを含有する場合（実施例１）は、焼失速度を低下させる添加剤を含有しない場合（比較例１）に比較して、焼失速度が５ＭＰａで１７％、１０ＭＰａで２７％低下した。
【００３９】
また焼失速度を低下させる添加剤として炭酸バリウムを含有する場合（実施例２）は、焼失速度を低下させる添加剤を含有しない場合（比較例１）に比較して、焼失速度が５ＭＰａで１５％、１０ＭＰａで２６％低下した。
また実施例１および２における焼失速度の圧力依存性は比較例１に対し５８％低下した。
【００４０】
また焼失速度を低下させる添加剤として公知の添加剤であるリチウム化合物の一つである炭酸リチウムを含有する場合（比較例２）は、焼失速度を低下させる添加剤を含有しない場合（比較例１）に比較して、焼失速度が５ＭＰａで２％、１０ＭＰａで５％低下し、また焼失速度の圧力依存性が２１％低下した。
また焼失速度を低下させる添加剤として公知の添加であるオキサミドを含有する場合（比較例３）は、焼失速度を低下させる添加剤を含有しない場合（比較例１）に比較して、焼失速度が５ＭＰａで１０％、１０ＭＰａで１２％低下し、また焼失速度の圧力依存性が１２％低下した。
しかしながら、比較例２および３は本願発明に比べて、焼失速度および焼失速度の圧力依存性のいずれにおいても低下させる効果は小さいことが明らかとなった。
【００４１】
また、アルミニウム粉末を含有しない場合においても、無機炭酸塩を含まない場合（比較例４）に比べて無機炭酸塩を含む場合（実施例３）は、焼失速度および焼失速度の圧力依存性が低いことが明らかとなった。
即ち、実施例３は比較例４に対し焼失速度は５ＭＰａで２１％、１０ＭＰａで２６％低下し、焼失速度の圧力依存性は比較例３に対し２６％低下した。
また焼失速度低下の効果は、アルミニウム粉末を含有する場合と含有しない場合のいずれにおいても共通して見られる。また、５ＭＰａの試験結果に着目すると、その程度は過塩素酸アンモニウムを多く含有する実施例３で大きいことから、添加物は過塩素酸アンモニウムに作用しておりアルミニウム粉末の有無、バインダの種類に大きな影響を受けないことが示された。
【００４２】
【発明の効果】
本発明のロケット用固体燃料は、その焼失速度を低くすることができるため、長時間の使用に耐えうる固体燃料が得られる。
また、焼失速度の圧力依存性が小さくなるために、比較的安定に固体燃焼させることが可能である。
本発明の過塩素酸塩を含有するロケット用固体燃料は、アルミニウム粉末の有無にかかわらず焼失速度および焼失速度の圧力依存性が小さい。
焼失速度調整剤として使用する無機炭酸塩は、比較的安価で入手性も良いため、工業的利用価値が高いものである。

Claims

酸化剤の主成分が過塩素酸塩であるロケット用固体燃料組成物において、アルカリ土類金属の炭酸塩を含有することを特徴とするロケット用固体燃料組成物。
アルカリ金属の炭酸塩を含有させることによって、酸化剤の主成分が過塩素酸塩であるロケット用固体燃料の焼失速度を改良する方法。