JP2004331425A

JP2004331425A - Han/hn-based monopropellant and method for developing hot gas using the same

Info

Publication number: JP2004331425A
Application number: JP2003126278A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Takano; 雅弘高野; Tsuneo Ayabe; 統夫綾部; Tsuneo Kasama; 恒雄笠間; Shigefumi Miyazaki; 繁文宮崎
Original assignee: Hosoya Fireworks Co Ltd; IHI Corp; IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: Hosoya Fireworks Co Ltd; IHI Corp; IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2003-05-01
Filing date: 2003-05-01
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2023-05-01
Also published as: JP4333943B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a low-toxicity monopropellant which can be easily handled, drastically reduces or eliminates the necessity of wearing protective clothing etc., at its handling and has burning characteristics comparable to those of hydrazine, and a method for developing hot gas using the same. <P>SOLUTION: The HAN/HN-based monopropellant 1 comprising an HAN/NH mixture-based oxidizer containing hydroxylammonium nitrate (HAN), hydrazinium nitrate (HN) and water and a fuel constituent is directly sprayed on a catalyst 10 which has been preheated to a prescribed temperature to generate the hot gas. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体ロケット、小型スラスタ、タービン用ガスジェネレータ、等に用いる１液推進薬（モノプロペラント）とこれを用いた高温ガス発生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
１液推進薬（モノプロペラント）は、１液のみで機能を果たす推進剤であり、［特許文献１］［非特許文献１］［非特許文献２］等に開示されている。
また、関連する固体推進薬は、［特許文献２］［特許文献３］［特許文献４］に、ハイブリッド推進薬は、［特許文献５］等に開示されている。
【０００３】
【非特許文献１】
ジョージＰ．サットン、ロケット推進工学、山海堂、第８章液体推進薬
【非特許文献２】
Ｅ．Ｗ．Ｓｃｈｍｉｄｔ，”ＨＹＤＲＡＺＩＮＥＡＮＤＩＴＳＤＥＲＩＶＡＴＩＶＥＳ−ＰＲＥＰＡＲＡＴＩＯＮ，ＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳ，ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ−”，ＡＷＩＬＥＹ−ＩＮＴＥＲＳＣＩＥＮＣＥＰＵＢＬＩＣＡＴＩＯＮ，ＪＯＨＮＷＩＬＥＹ＆ＳＯＮＳ，Ｐ５１５−５２８
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２２５５５号公報
【特許文献２】
特開平１１−１３８６号公報
【特許文献３】
特表２００１−５０６２１６号公報
【特許文献４】
特表２００２−５１７３７６号公報
【特許文献５】
特開２００２−２０１９１号公報
【０００５】
［特許文献１］の「一液推進方法および一液推進装置」は、一液推進薬により推力を得るに際し、一液推進薬としてヒドロキシンアンモニウムナイトレートと燃料を含む混合液を用い、混合液のうち一部を触媒により分解して高温ガスを発生させると共に、混合液のうち残部を燃焼空間内に直接噴射し、直接噴射した混合液を燃焼空間内で高温ガスにより点火燃焼させて推力を得る、ものである。
【０００６】
［特許文献２］の「固体推進薬」は、酸化剤成分である硝酸ヒドロキシンアンモニウムと燃料成分である炭化水素系高分子ないしはゴム質材料からなるバインダーと適宜の補助剤を混合してなる、ものである。
【０００７】
［特許文献３］の「固溶体乗物エアバッククリーンガス発生器の推進薬」は、ａ）ポリアルキルアンモニウムバインダーと、ｂ）硝酸アンモニウム、及び第１添加剤の融点だけでなく該硝酸アンモニウムの融点よりも十分に低い温度で液体である共晶溶融物を生成する該第１添加剤からなる酸化剤混合物とからなる、ものである。
［特許文献４］の「含水組成物をベースとするガス発生用固体発火燃料」は、ゲル化効果を有する少なくとも１種の有機結合剤と、この結合剤によって吸収される液相の少なくとも１種の主酸化剤系とからなる、燃焼時に固体残留物を生じないガスを発生する発火組成物において、ゲル化効果を有する有機結合剤がポリビニルアルコール、ヒドロキシエチルセルロースおよびキサンタンガムからなる群の中から選択され、液相の主酸化剤系が水と硝酸ヒドロキシルアンモニウムとの混合物からなる、ものである。
【０００８】
［特許文献５］の「液体酸化剤及びハイブリッド推進薬」は、硝酸ヒドロキシルアンモニウムと、ヒドラジニウムニトロフォルメイト、アンモニウムジニトラミド、硝酸アンモニウム、及び過酸化水素からなる群より選択された１種類以上の酸化剤とを含有する、ものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
［非特許文献１］に開示されているように、１液推進薬（モノプロペラント）として、ヒドラジン、過酸化水素、酸化エチレン、及びニトロメタンが従来から試験的に用いられている。しかし、化学的、熱的に安定で貯蔵性が良く、かつ分解／反応しやすく良好な燃焼特性を有することから、現在ではヒドラジンのみが実用され、その他は今日では使われていない。
【００１０】
ヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）の触媒反応は、中間生成物を無視すると、式（１）で示すことができる。
３Ｎ_２Ｈ_４→４（１−ｘ）ＮＨ_３＋（１＋２ｘ）Ｎ_２＋６ｘＨ_２・・・（１）
【００１１】
式（１）において、ｘはアンモニアの解離度であり、解離度ｘに応じて、ヒドラジンは、断熱反応温度９００〜１６００Ｋ、特性排気速度１２００〜１３５０ｍ／ｓ、比推力２００〜２３０ｓ、等の優れた燃焼特性を有する。
【００１２】
しかし、ヒドラジンは毒性が強く、取り扱い時には防護服等で身を固める必要があり、取り扱い性が悪い問題点があった。
【００１３】
一方、［非特許文献１］には、ＨＮ（ｈｙｄｒａｚｉｎｉｕｍｎｉｔｒａｔｅ：硝酸ヒドラジン）及びＨＮ−Ｈ_２Ｏ混合薬が１液推進薬として例示されている。
【００１４】
ＨＮ（硝酸ヒドラジン）は、ロケットエンジンの残留物の１つとして発見されたものであり、非常に安定性が高く、大気圧下では、電気加熱線によっても燃焼しない特性を有する。
【００１５】
また、表１に示すように、ＨＮ単体では、爆轟（デトネーション）が起こり得るが、ＨＮ−Ｈ_２Ｏ混合薬は、ＨＮが７５％未満では爆轟は起こらないことが知られている。
【００１６】
【表１】

【００１７】
更に、図５に示すように、ＨＮ−Ｈ_２Ｏ−ＨＹＤＲＡＺＩＮＥ系の推進薬は、水の量が４０％以下の性能の高い領域において、爆轟性があり、かつヒドラジンを含むため取り扱い性も悪い問題点があった。
【００１８】
本発明は、上述した従来の状況に鑑みて成されたものある。すなわち、本発明の目的は、毒性が低く取り扱いが容易であり取り扱い時に防護服等で身を固める必要性を大幅に低減又は無くすことができ、かつヒドラジンに匹敵する燃焼特性を有する１液推進薬（モノプロペラント）とこれを用いた高温ガス発生方法を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）、ヒドラジウムナイトレート（ＨＮ）及び水を含むＨＡＮ／ＨＮ混合系の酸化剤と燃料成分とからなる、ことを特徴とするＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントが提供される。
【００２０】
ＨＡＮのみでは応答性（圧力の立ち上がり特性）が悪く、インジェクションから推力発生若しくはガス発生までに時間がかかる。また、ＨＮ−Ｈ_２Ｏ−ＨＹＤＲＡＺＩＮＥ系では爆轟性があり、特に性能の高い水の量が４０％以下の領域では爆轟する。
これに対して、本発明の構成では、両成分を含むため、応答性が高いことが後述する試験結果で確認された。また、ＨＡＮの安定性が非常に高いため、爆轟性のないモノプロペラントが得られる。さらに、本発明のモノプロペラントは、毒性の高いヒドラジンを含まないので、取り扱いが容易であり防護服等の必要性を大幅に低減又は無くすことができる。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態によれば、ＨＡＮとＨＮの合計含有量が２０％以上、９０％未満であり、水の含有量が１０％以上、５０％以下である。
【００２２】
ＨＡＮ−Ｈ_２Ｏ混合薬は、ＨＡＮが９０％未満では爆轟は起こらないので、ＨＡＮの一部をＨＮに置き換えてもその合計含有量が２０％以上、９０％未満であり、爆轟は起こらない。従って、水の含有量を１０％以上、５０％以下にすることで、性能が高く爆轟性のないモノプロペラントが得られる。
【００２３】
また、前記燃料成分は、トリエタノールアンモニウムナイトレート（ＴＥＡＮ）又はアルコール類を含む炭化水素系燃料である。
【００２４】
ＴＥＡＮを燃料成分とすることで、燃焼効率が高く応答性に優れた１液推進薬とすることができる。またアルコール類を含む炭化水素系燃料を燃料成分とすることで、取り扱い性のよい低コストの１液推進薬とすることができる。
【００２５】
また、本発明によれば、ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）、ヒドラジウムナイトレート（ＨＮ）及び水を含むＨＡＮ／ＨＮ混合系の酸化剤と燃料成分とからなるＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントを、触媒に直接噴霧して高温ガスを発生させる、ことを特徴とする高温ガス発生方法が提供される。
【００２６】
この方法によれば、ＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントが、毒性の高いヒドラジンを含まないので、取り扱いが容易であり取り扱い時に防護服等で身を固める必要がない。
また、このモノプロペラントは応答性がよく、かつ性能の高い水の量が１０〜５０％の範囲で爆轟性がないので、触媒に直接噴霧するだけで高い応答性で高温ガスを発生させることができる。
【００２７】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記触媒は、イリジウム系触媒であり、これを５０℃以上、３００℃以下に予熱する。
イリジウム系触媒は入手が容易であり、これを５０℃以上、３００℃以下に予熱するだけで、反応遅れ時間の短い高い応答性で高温ガスを発生させることができることが、後述する試験結果により確認された。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２９】
図１は、本発明の方法を実施するための試験装置の構成図である。この図において、１は１液推進薬（モノプロペラント）、２は加圧ガスタンク、４は推進薬タンク、６ａ，６ｂは電磁弁、７ａ，７ｂは手動開閉弁、８はスラスタ、９ａ，９ｂはヒータ、１０は触媒、Ｐは圧力計測器、Ｔは温度計測器である。
【００３０】
加圧ガスタンク２は、１液推進薬１と反応しない不活性ガス（例えば、Ｎ_２，Ａｒ，Ｈｅ）を例えば１〜３Ｍｐａの圧力で内蔵し、手動開閉弁７ａを介して推進薬タンク４内の１液推進薬１を加圧し、手動開閉弁７ｂを介して電磁弁６ａ，６ｂへ加圧状態の１液推進薬１を供給する。
【００３１】
電磁弁６ａ，６ｂは、この例では直列に配置され、図示しない制御装置により、２つの電磁弁の連動により、周期的に短時間だけ両方を開くパルスモードを可能にしている。ヒータ９ａは、電磁弁６ａ，６ｂ内の推進薬を予熱し、所定の温度に保持する。
【００３２】
スラスタ８は、内蔵する触媒１０により、１液推進薬１を反応／分解させ高温ガスを発生させる。ヒータ９ｂは、触媒１０を予熱し、所定の温度に保持する。
【００３３】
本発明の１液推進薬（モノプロペラント）１は、ＨＡＮ／ＨＮ混合系の酸化剤と燃料成分とからなる。
酸化剤は、ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）、ヒドラジウムナイトレート（ＨＮ）及び水を含む。また、ＨＡＮとＨＮの合計含有量が２０％以上、９０％未満であり、水の含有量が１０％以上、５０％以下であるのがよい。
燃料成分は、好ましくはトリエタノールアンモニウムナイトレート（ＴＥＡＮ）であるが、炭化水素系燃料であってもよい。
【００３４】
触媒１０は、イリジウム系触媒であるのが好ましいが、本発明はこれに限定されず、その他の周知の触媒、例えばＰｔ，Ｐｄ等を用いることができる。
【００３５】
図２は、本発明の方法に用いるスラスターの一例を示す構成図である。この図において、触媒１０は、２５−３０ＭＥＳＨの細かい粒子からなる触媒（ＳＨＥＬＬＮＯ．４０５）と、１４−１８ＭＥＳＨの粗い粒子からなる触媒（ＳＨＥＬＬＮＯ．４０５）との２層になっている。また、１１は噴射装置であり、１液推進薬１を微細な液滴の状態で触媒に直接噴霧するようになっている。
【００３６】
上述した装置を用い、本発明の方法では、ＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラント１を、所定温度に予熱した触媒に直接噴霧して高温ガスを発生させる。
この方法により、微細な液滴状態の１液推進薬（モノプロペラント）１を触媒層で補足して蒸発させるとともに、１液推進薬１を反応／分解させ高温ガスを発生させることができる。
【００３７】
【実施例】
以下、上述した装置を用いた試験結果を説明する。
【００３８】
この試験では、１液推進薬（モノプロペラント）として、ＨＮ／ＨＡＮ／ＴＥＡＮ／Ｈ_２Ｏの重量比率が１６／４７／２０／１７のもの（Ｔｙｐｅ：Ａ）と２０／４０／２０／２０のもの（Ｔｙｐｅ：Ｂ）の２種を試験した。また、触媒１０としてイリジウム系触媒を用い、初期触媒温度を２００℃に保持した。
【００３９】
図３は、本発明の実施例を示すパルスモード試験結果である。この試験は、２つの電磁弁６ａ，６ｂの連動により、周期的に０．１ｓｅｃ／ＯＮ、０．９ｓｅｃ／ＯＮを繰返し、その応答性を試験したものである。０．１ｓｅｃ／ＯＮによる推進薬の供給量は０．０４ｇ／パルスである。またこの図において、横軸は時間、縦軸は電磁弁６ａ，６ｂのＯＮ／ＯＦＦとこれに対応するスラスタ内の圧力変化を示している。
この図から、スラスタ内の圧力変化は、電磁弁６ａ，６ｂのＯＮ／ＯＦＦに正確に追従しており、応答性が非常に高いことが確認された。
【００４０】
図４は、本発明の実施例を示す反応遅れ試験結果である。この図において、横軸は触媒温度、縦軸は反応遅れ時間である。また、図中の■は従来例（ＨＡＮ−ＴＥＡＮ）、○は本発明の上述したＴｙｐｅ：Ａである。
この図から、１００℃以上の予熱温度において、本発明の１液推進薬の反応遅れ時間は、従来例よりも１桁（１０倍）以上短く、応答性に優れていることがわかる。
【００４１】
上述したように、本発明の１液推進薬は、従来例よりも応答性が非常に高いことが試験結果で確認された。また、ＨＮの安定性が非常に高いため、水の含有量が反応性の高い１０％以上、５０％以下の範囲で爆轟性のないモノプロペラントが得られる。さらに、本発明のモノプロペラントは、毒性の高いヒドラジンを含まないので、取り扱いが容易であり防護服等の必要性を大幅に低減又は無くすことができる。
【００４２】
また、本発明の１液推進薬は、その組成から、以下の燃焼特性を有することが試算できる。
燃焼温度：約９００〜２４００Ｋ、
比推力：１８０〜２６０ｓ
従って、本発明の１液推進薬は、ヒドラジンに匹敵する燃焼特性を有するといえる。
【００４３】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００４４】
【発明の効果】
上述したように、本発明のＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントとこれを用いた高温ガス発生方法は、毒性が低く取り扱いが容易であり取り扱い時に防護服等で身を固める必要性を大幅に低減又は無くすことができ、かつヒドラジンに匹敵する燃焼特性を有する、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実施するための試験装置の構成図である。
【図２】本発明の方法に用いるスラスターの一例を示す構成図である。
【図３】本発明の実施例を示すパルスモード試験結果である。
【図４】本発明の実施例を示す反応遅れ試験結果である。
【図５】ＨＮ−Ｈ_２Ｏ−ＨＹＤＲＡＺＩＮＥ系推進薬の爆轟特性を示す図である。
【符号の説明】
１１液推進薬（モノプロペラント）、
２加圧ガスタンク、４推進薬タンク、
６ａ，６ｂ電磁弁、７ａ，７ｂ手動開閉弁、
８スラスタ、９ａ，９ｂヒータ、１０触媒[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a one-liquid propellant (monopropellant) used for a liquid rocket, a small thruster, a gas generator for a turbine, and the like, and a high-temperature gas generating method using the same.
[0002]
[Prior art]
One-component propellants (monopropellants) are propellants that function only with one solution, and are disclosed in [Patent Document 1], [Non-Patent Document 1], [Non-Patent Document 2], and the like.
Related solid propellants are disclosed in [Patent Document 2], [Patent Document 3], and [Patent Document 4], and hybrid propellants are disclosed in [Patent Document 5].
[0003]
[Non-patent document 1]
George P. Sutton, Rocket Propulsion Engineering, Sankaido, Chapter 8 Liquid Propellants [Non-Patent Document 2]
E. FIG. W. Schmidt, "HYDRAZINE AND ITS DERIVATIVES-PREPARATION, PROPERTIES, APPLICATIONS-", A WILEY-INTERSCIENCE PUBLICATION, JOHN WILEY & SONS, P515-528.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-11-22555 [Patent Document 2]
JP-A-11-1386 [Patent Document 3]
Japanese Patent Application Publication No. 2001-506216 [Patent Document 4]
JP-T-2002-517376 [Patent Document 5]
JP-A-2002-20191 [0005]
The “one-liquid propulsion method and one-liquid propulsion device” of [Patent Document 1] use a mixed liquid containing hydroxyammonium nitrate and fuel as a one-liquid propellant when obtaining thrust by one-liquid propellant, A part of the mixture is decomposed by the catalyst to generate high-temperature gas, the rest of the mixture is directly injected into the combustion space, and the directly injected mixture is ignited and burned by the high-temperature gas in the combustion space to increase thrust. Get, what is.
[0006]
The “solid propellant” of [Patent Document 2] is obtained by mixing ammonium oxynitrate as an oxidizing agent component, a binder made of a hydrocarbon polymer or a rubbery material as a fuel component, and an appropriate auxiliary. Things.
[0007]
The "propellant for a solid solution vehicle airbag clean gas generator" of [Patent Document 3] is not only the melting points of a) a polyalkylammonium binder, b) ammonium nitrate and the first additive but also more than the melting points of the ammonium nitrate. An oxidizer mixture comprising the first additive, which produces a eutectic melt that is liquid at lower temperatures.
[Patent Document 4] “Solid ignition fuel for gas generation based on a water-containing composition” includes at least one organic binder having a gelling effect and at least one liquid phase absorbed by the binder. An organic binder having a gelling effect is selected from the group consisting of polyvinyl alcohol, hydroxyethylcellulose and xanthan gum in an ignition composition that generates a gas that does not produce a solid residue when burned, comprising a main oxidizer system of , Wherein the main oxidant system in the liquid phase comprises a mixture of water and hydroxylammonium nitrate.
[0008]
“Liquid oxidizer and hybrid propellant” in [Patent Document 5] is at least one selected from the group consisting of hydroxylammonium nitrate and hydrazinium nitroformate, ammonium dinitramide, ammonium nitrate, and hydrogen peroxide. And an oxidizing agent.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
As disclosed in [Non-Patent Document 1], hydrazine, hydrogen peroxide, ethylene oxide, and nitromethane have been conventionally used on a trial basis as one-component propellants (monopropellants). However, since it is chemically and thermally stable, has good storage properties, and is easily decomposed / reacted and has good combustion characteristics, only hydrazine is currently practically used, and others are not used today.
[0010]
The catalytic reaction of hydrazine (N ₂ H ₄ ) can be represented by formula (1), ignoring the intermediate products.
_{_{_{3N 2 H 4 → 4 (1}}} -x) NH 3 + (1 + 2x) N 2 + 6xH 2 ··· (1)
[0011]
In the formula (1), x is the degree of dissociation of ammonia. According to the degree of dissociation x, hydrazine is excellent in adiabatic reaction temperature of 900 to 1600 K, characteristic pumping speed of 1200 to 1350 m / s, specific impulse of 200 to 230 s, and the like. It has excellent combustion characteristics.
[0012]
However, hydrazine is highly toxic, and it is necessary to solidify it with protective clothing and the like at the time of handling.
[0013]
On the other hand, the Non-Patent Document 1], HN (hydrazinium nitrate: hydrazine nitrate) and _{HN-H 2} O mixture agent is exemplified as a liquid propellant.
[0014]
HN (hydrazine nitrate) has been discovered as one of the residues of rocket engines and is very stable and has the property that it does not burn at atmospheric pressure even with an electric heating wire.
[0015]
Further, as shown in Table 1, in the HN alone, detonation (detonation) but can occur, HN-H 2 _O mixture drugs, HN It is known that detonation does not occur in less than 75%.
[0016]
[Table 1]

[0017]
Furthermore, as shown in FIG. _{5, HN-H 2 O-} HYDRAZINE based propellant, at high amount of water of 40% or less of the performance area, there is a detonation properties, and also handling properties because they contain hydrazine There was a bad problem.
[0018]
The present invention has been made in view of the above-described conventional situation. That is, an object of the present invention is to provide a one-component propellant which has low toxicity and can be easily handled, can greatly reduce or eliminate the need for hardening with protective clothing and the like at the time of handling, and has a combustion characteristic comparable to hydrazine. (Monopropellant) and a high-temperature gas generation method using the same.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, there is provided a HAN / HN base material comprising a HAN / HN mixed oxidant containing hydroxylammonium nitrate (HAN), hydradium nitrate (HN) and water, and a fuel component. Propellants are provided.
[0020]
With HAN alone, the response (pressure rise characteristic) is poor, and it takes time from injection to thrust generation or gas generation. _Further, there is detonation of the HN-H 2 O-HYDRAZINE system, in particular the amount of high-performance water to detonation is 40% or less regions.
On the other hand, in the configuration of the present invention, since both components were included, high responsiveness was confirmed by a test result described later. Further, since the stability of HAN is very high, a monopropellant having no detonation property can be obtained. Furthermore, since the monopropellant of the present invention does not contain highly toxic hydrazine, it is easy to handle, and the need for protective clothing and the like can be greatly reduced or eliminated.
[0021]
According to a preferred embodiment of the present invention, the total content of HAN and HN is 20% or more and less than 90%, and the water content is 10% or more and 50% or less.
[0022]
_{HAN-H 2} O mixture drugs, since HAN is detonation does not occur in less than 90%, the total content be replaced with HN part of HAN 20% or more and less than 90%, detonation Does not happen. Therefore, a monopropellant with high performance and no detonation can be obtained by setting the water content to 10% or more and 50% or less.
[0023]
The fuel component is a hydrocarbon fuel containing triethanol ammonium nitrate (TEAN) or alcohols.
[0024]
By using TEAN as a fuel component, a one-liquid propellant having high combustion efficiency and excellent responsiveness can be obtained. By using a hydrocarbon-based fuel containing alcohols as a fuel component, a low-cost one-liquid propellant with good handleability can be obtained.
[0025]
Further, according to the present invention, a HAN / HN-based monopropellant comprising a HAN / HN mixed oxidizing agent containing hydroxylammonium nitrate (HAN), hydradium nitrate (HN) and water and a fuel component, A hot gas generation method is provided, wherein a hot gas is generated by directly spraying a catalyst.
[0026]
According to this method, since the HAN / HN-based monopropellant does not contain highly toxic hydrazine, it is easy to handle, and there is no need to solidify with a protective suit or the like at the time of handling.
In addition, since this monopropellant has good responsiveness and does not have detonation property when the amount of high-performance water is in the range of 10 to 50%, a hot gas is generated with high responsiveness only by spraying directly on the catalyst. be able to.
[0027]
According to a preferred embodiment of the present invention, the catalyst is an iridium-based catalyst, which is preheated to 50 ° C or more and 300 ° C or less.
Test results described below confirm that iridium-based catalysts are easily available, and high-temperature gas can be generated with high responsiveness with a short reaction delay time simply by preheating the iridium-based catalyst to 50 ° C or higher and 300 ° C or lower. Was done.
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same reference numerals are given to the common parts in the respective drawings, and the duplicate description will be omitted.
[0029]
FIG. 1 is a configuration diagram of a test apparatus for performing the method of the present invention. In this figure, 1 is a one-component propellant (monopropellant), 2 is a pressurized gas tank, 4 is a propellant tank, 6a and 6b are solenoid valves, 7a and 7b are manual open / close valves, 8 is a thruster, 9a and 9b. Denotes a heater, 10 denotes a catalyst, P denotes a pressure measuring device, and T denotes a temperature measuring device.
[0030]
The pressurized gas tank 2 contains an inert gas (eg, N ₂ , Ar, He) that does not react with the one-component propellant 1 at a pressure of, for example, 1 to 3 Mpa, and is stored in the propellant tank 4 via a manual opening / closing valve 7 a. Is supplied to the

solenoid valves

6a and 6b through the manual opening / closing valve 7b.
[0031]
The

solenoid valves

6a and 6b are arranged in series in this example, and a control device (not shown) enables a pulse mode in which both are periodically opened only for a short time by interlocking the two solenoid valves. The heater 9a preheats the propellant in the

solenoid valves

6a and 6b and maintains the propellant at a predetermined temperature.
[0032]
The thruster 8 reacts / decomposes the one-liquid propellant 1 with a built-in catalyst 10 to generate a high-temperature gas. The heater 9b preheats the catalyst 10 and maintains it at a predetermined temperature.
[0033]
The one-component propellant (monopropellant) 1 of the present invention comprises a HAN / HN mixed oxidizer and a fuel component.
Oxidants include hydroxylammonium nitrate (HAN), hydradium nitrate (HN) and water. Further, the total content of HAN and HN is preferably 20% or more and less than 90%, and the water content is preferably 10% or more and 50% or less.
The fuel component is preferably triethanol ammonium nitrate (TEAN), but may be a hydrocarbon fuel.
[0034]
The catalyst 10 is preferably an iridium-based catalyst, but the present invention is not limited thereto, and other well-known catalysts, for example, Pt, Pd and the like can be used.
[0035]
FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of a thruster used in the method of the present invention. In this figure, the catalyst 10 has two layers: a catalyst (SHELL No. 405) composed of fine particles of 25-30 MESH and a catalyst (SHELL No. 405) composed of coarse particles of 14-18 MESH. Reference numeral 11 denotes an injection device which directly sprays the one-liquid propellant 1 in the form of fine droplets onto the catalyst.
[0036]
In the method of the present invention using the above-described apparatus, the HAN / HN-based monopropellant 1 is directly sprayed onto a catalyst preheated to a predetermined temperature to generate a high-temperature gas.
According to this method, the one-liquid propellant (monopropellant) 1 in a fine droplet state is captured and evaporated by the catalyst layer, and the one-liquid propellant 1 is reacted / decomposed to generate a high-temperature gas.
[0037]
【Example】
Hereinafter, test results using the above-described apparatus will be described.
[0038]
In this test, the one-component propellant (monopropellant) having a weight ratio of HN / HAN / TEAN / H ₂ O of 16/47/20/17 (Type: A) and 20/40/20/20 (Type: B) were tested. Further, an iridium-based catalyst was used as the catalyst 10, and the initial catalyst temperature was kept at 200 ° C.
[0039]
FIG. 3 is a pulse mode test result showing an example of the present invention. In this test, 0.1 sec / ON and 0.9 sec / ON are periodically repeated by interlocking the two

solenoid valves

6a and 6b to test the responsiveness. The supply amount of the propellant at 0.1 sec / ON is 0.04 g / pulse. In this figure, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents ON / OFF of the

solenoid valves

6a and 6b and the corresponding pressure change in the thruster.
From this figure, it was confirmed that the pressure change in the thruster accurately followed ON / OFF of the

solenoid valves

6a and 6b, and that the response was extremely high.
[0040]
FIG. 4 is a reaction delay test result showing an example of the present invention. In this figure, the horizontal axis is the catalyst temperature, and the vertical axis is the reaction delay time. In the figure, Δ indicates a conventional example (HAN-TEAN), and O indicates Type: A described above in the present invention.
From this figure, it can be seen that at a preheating temperature of 100 ° C. or more, the reaction delay time of the one-component propellant of the present invention is shorter than the conventional example by one digit (10 times) and the response is excellent.
[0041]
As described above, the test results confirmed that the one-component propellant of the present invention had much higher responsiveness than the conventional example. In addition, since the stability of HN is very high, a monopropellant having no detonation can be obtained when the content of water is in the range of 10% to 50%, which is highly reactive. Furthermore, since the monopropellant of the present invention does not contain highly toxic hydrazine, it is easy to handle, and the need for protective clothing and the like can be greatly reduced or eliminated.
[0042]
Further, it can be estimated from the composition that the one-component propellant of the present invention has the following combustion characteristics.
Combustion temperature: about 900-2400K,
Specific thrust: 180-260s
Therefore, it can be said that the one-component propellant of the present invention has combustion characteristics comparable to hydrazine.
[0043]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and it is needless to say that various changes can be made without departing from the spirit of the present invention.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, the HAN / HN-based monopropellant of the present invention and the method for generating a high-temperature gas using the same have low toxicity and are easy to handle, and greatly reduce the need for hardening with protective clothing or the like during handling. It has excellent effects such as being able to be eliminated and having combustion characteristics comparable to hydrazine.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a test apparatus for performing a method of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of a thruster used in the method of the present invention.
FIG. 3 is a pulse mode test result showing an example of the present invention.
FIG. 4 shows the results of a reaction delay test showing an example of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing the detonation characteristics of a HN—H ₂ O—HYDRAZINE propellant.
[Explanation of symbols]
1 One-component propellant (monopropellant),
2 pressurized gas tank, 4 propellant tank,
6a, 6b solenoid valve, 7a, 7b manual open / close valve,
8 thrusters, 9a, 9b heaters, 10 catalysts

Claims

A HAN / HN-based monopropellant comprising a HAN / HN mixed oxidant containing hydroxylammonium nitrate (HAN), hydradium nitrate (HN) and water and a fuel component.

The HAN / HN-based monopropeller according to claim 1, wherein the total content of HAN and HN is 20% or more and less than 90%, and the content of water is 10% or more and 50% or less. And

The HAN / HN-based monopropellant according to claim 1, wherein the fuel component is a hydrocarbon fuel containing triethanol ammonium nitrate (TEAN) or alcohols.

A HAN / HN-based monopropellant comprising a HAN / HN mixed oxidant containing OH / HN, hydrazinium nitrate (HN) and water and a fuel component is sprayed directly onto the catalyst to produce a hot gas. Generating a high-temperature gas.

The high-temperature gas generation method according to claim 4, wherein the catalyst is an iridium-based catalyst, and preheats the catalyst to 50C or more and 300C or less.