JP2005538834A - 多段ガス発生器およびガス発生体 - Google Patents

Abstract

各々が独立した開始装置を持つ２つ以上の区画を有することができるガス発生器が説明されている。１つの区画はもう１つの区画の前に排出することができる。各区画は同じ推進剤を有することができる。推進剤は各区画内で異なった幾何学的形状を有することができ、各区画からの異なる速度のガス放出を生成する。ガス発生器は迅速な初期膨張を生成することができ、これに、その後段におけるより漸進的な膨張速度が続く。使用されている１つの推進剤は酸化剤として硝酸アンモニウム、ＣＬ−２０などの燃料、および、ポリカプロラクトンなどのバインダを含むことができる。第２の推進剤は、それぞれ重量で約７０から９５％の高エネルギー・ニトロアミン燃料、５から２５％の高エネルギー・ポリマー・バインダ、および、０．１から５％の閃光抑制剤を含むことができる。エアバッグの膨張速度はエアバッグにガス発生器を接続することにより制御することができ、燃焼室の各々に、異なった所定の時刻に排出させ、かつ、各燃焼室の排出物にエアバッグに流れ込ませる。

Description

本発明は改良されたガス発生体調合物を利用した二連または多段ガス発生器に関する。

ガス注入器としても知られているガス発生器は民生用および軍用の無数の実用例を有する。例えば、それらの実用例は自動車で使用されているエアバッグを展開するため、浮き装置を膨らますために使用することができ、かつ、酸素発生装置において使用することもできる。別の例では、ガス発生器は準爆発兵器を展開し、かつ、それの狙いを定めるために使用されるエアバッグを膨らますために使用することができる。

ガス発生器は、内部に含まれている推進剤を極端に迅速に、通常、ミリ秒の範囲で燃焼させることにより動作する。これまで、ガス発生器は推進剤を典型的にエアバッグ内で１段階で燃焼させており、結果的に、展開に対して最適な制御より劣る制御をもたらしていた。

エアバッグにおいて使用されている推進剤は一般にアジ化ナトリウムを含んでおり、アジ化ナトリウムは、点火すると、高温の金属酸化物および腐食性生成物を含む粒子を生成し、そのため、これらの生成物が準爆発兵器またはその関連設備を損傷しないことを確実にするために、高価な濾過システムを必要とする。代替の推進剤は、設備を保護するためのシステムを同じく必要とする様々な窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を含む高温排出物および／またはガスを生成している。このようなエアバッグ・システムは、燃焼の有害副生成物により引き起こされるバッグへの損傷を保護するために、様々な保護コーティングを同じく必要としている。

現在までのところ、上記に示したシステムのための均一かつ高信頼性のガス発生は、ガス発生の速度またはその変化率に関して機械的に、ならびに、推進剤の燃焼の結果生じる固体粒子および排出物の制御に関しての双方で達成が困難となっている。現在までのところ、ガス発生体の諸成分のうち少なくとも１つまたはいくつか、例えば酸化剤は金属系であり、燃焼の副生成物としての高温金属性の固体または粒子の形成につながる。大手のエアバッグ製造業者は、自身のガス発生体の調合物における主要な燃料構成物質としてアジ化ナトリウム（ＮａＮ_３）を、および、自身の調合物における主要な酸化剤構成物質として金属酸化物、例えば酸化銅、酸化鉄、三酸化モリブデンを使用し続けている。燃焼させると、これらのガス発生体調合物は非常に高温の銅系、鉄系、または、モリブデン系の固体副生成物ならびにＮＯ、ＮＯ_２、ＳＯ_２、ＣＯ、および、ＣＯ_２を発生する。このような副生成物は抑制できなくなることがよくある。これらの燃焼副生成物のいくつかは人体に極端に有害であり、かつ、例えそのようなガス発生体副生成物が少量のみ生産されているとしても、非常に心配される可能性がある。

いくつかのエアバッグ・システムは、アジ化ナトリウムとは別の推進剤に基づいており、例えば、酢酸セルロース、過塩素酸塩、および、金属酸化物が使用されている米国特許第５４８２５７９号明細書を参照されたい。しかし、これらのシステムは、エアバッグに対する危害を防止するための濾過システムを必要とする高温金属粒子、または、有害もしくは高温のガスをそれでも発生する。

エアバッグの他の変形形態も調査されてきた。例えば、そのいくつかはエアバッグ内の空気流を制御するために機械的手段を使用している。例えば、米国特許第６０５０６０１号明細書を参照されたい。しかし、機械的手段はエアバッグに必要とされる極端に速い膨張と比較して比較的緩慢である。他の変形形態は膨張のための保存ガスに依存するシステムを使用している。例えば、米国特許第６０８９５９７号明細書を参照されたい。保存ガスを長時間にわたり維持することの困難のため、これらのシステムは広範には使用されていない。

米国特許第５８７６０６２号は推進剤に点火するために抵抗線を使用することに依存する。エアバッグ・システムの振動は点火線に破損を引き起こすことがあり、システムの誤動作につながる。さらに、濾過システムも必要である。米国特許第６１９９９０６号はエアバッグが展開される程度を決定するために電子論理回路に依存する。しかし、このシステムは有毒排出物をそれでも発生し、特定のガス・ポートを介してそれらを排除しようと試みている。さらに、このシステムは、熱または炎に曝されるとシステムのいくつかの部分に偶発的な点火が起こる可能性のあることを示している。
米国特許第５４８２５７９号明細書 米国特許第６０５０６０１号明細書 米国特許第６０８９５９７号明細書 米国特許第５８７６０６２号明細書 米国特許第６１９９９０６号明細書 Ｍ．Ｅ．ＦａｙｅｄおよびＬ．Ｏｔｔｅｎ、「Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｐｏｗｄｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」（１９８４） Ｅｍｉｌ Ｒ．Ｒｉｅｇｅｌ、「Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ（２ｎｄ Ｅｄ．）」（１９６０） Ｗｏｌｆｇａｎｇ Ｐｉｅｔｓｃｈ、「Ｓｉｚｅ Ｅｎｌａｒｇｅｍｅｎｔ ｂｙ Ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｉｏｎ Ｃｈ．４」（１９９１）

本発明は、各々が独立した開始装置を持ち、１つの区画が他の区画の前に放出する、すなわち、各区画が連続的に放出する２つ以上の区画を有するガス発生器に関する。
本発明の目的は、設計の視点から重量、サイズが低減され、幾何学的形状の制約が減少したガス発生器を提供することである。同じく、濾過システムに対する必要性を排除することも目的である。同じく、圧力容器、すなわち、燃焼室の内部構造部材をなくすか、または、少なくともそのサイズを低減するガス発生注入器を提供することも目的である。より少数の部品およびより低い処理製造作業の双方に関して高価ではないガス発生器を提供することがさらなる目的である。

１つの実施形態は少なくとも２つの燃焼室を含むガス発生器を含むことができる。各燃焼室は異なった時刻および異なった体積速度でガスの放出を可能とすることができ、かつ、各燃焼室は開始装置および他方の燃焼室にあるものと同じ推進剤を含むことができる。

ガス発生器は、重量で約（ａ）８４から９５％の酸化剤、（ｂ）３．４から１３．４％の燃料、および、（ｃ）１．５から２．６％のバインダから構成された推進剤を含むことができる。推進剤の燃焼の生成物は非有害ガスであってもよい。推進剤燃料はＣＬ−２０、ＲＤＸ、ＨＭＸ、ＧＡＰ、ＮＧＵ、ＴＡＴＢ、ＬＬＭ−１０５、ＥＤＮＡ、および、これらの混合物から選択することができる。バインダはＰＣＬ、ＰＩＢ、ＧＡＰ、ポリビニルピロリドン、および、これらの混合物から選択することができる。酸化剤は硝酸アンモニウムとすることができる。推進剤は、重量で約７０から９５％の高エネルギー・ニトロアミン燃料、５から２５％の高エネルギー・ポリマー・バインダおよび０．１から５％の閃光抑制剤を含むことができる。

第２の実施形態は、エアバッグの膨張の速度を制御するための工程を含むことができる。各々が異なった速度でガスを放出することができる少なくとも２つの燃焼室を有するガス発生器はエアバッグに接続することができる。燃焼室の各々は異なった所定の時刻にガスまたは排出物を放出させることができる。工程は前記燃焼室の各々の排出物をエアバッグに含ませることができる。

ガス発生器は車両内に配置することができ、かつ、車両の衝突に応じて起動することができる。エアバッグは兵器から１つまたは複数の準爆発兵器を射出するために使用することができ、ガス発生器はトリガ信号に応じて起動することができる。準爆発兵器の弾道はエアバッグの展開により制御することができる。

第３の実施形態は、兵器システムから小さな、中程度の、および、大きな口径の弾丸を推進するために、重量で約７０から９５％の高エネルギー・ニトロアミン燃料、５から２５％の高エネルギー・ポリマー・バインダ、および、０．１から５％の閃光抑制剤を有する多段ガス発生器を使用する工程を含むことができる。ガス発生器は兵器システムの銃身に挿入することができ、かつ、弾丸を挿入することができる。ガス発生器は起動することができ、かつ、ガス発生器から発射されたガスは弾丸を推進するために使用することができる。

第４の実施形態は生態系に優しいガス発生体推進剤を含むことができる。生態系に優しいガス発生体推進剤は、（ａ）重量で８４から９５％の酸化剤、（ｂ）重量で３．４から１３．４％の燃料、および、（ｃ）１．５から２．６％のバインダから構成することができる。推進剤の燃焼の生成物は非有害ガスとすることができる。

生態系に優しいガス発生体推進剤燃料はＣＬ−２０、ＲＤＸ、ＨＭＸ、ＧＡＰ、ＮＧＵ、ＴＡＴＢ、ＬＬＭ−１０５、ＥＤＮＡ、および、これらの混合物から選択することができる。生態系に優しいガス発生体推進剤バインダは、ＰＣＬ、ＰＩＢ、ＧＡＰ、ポリビニルピロリドン、および、これらの混合物から選択することができる。生態系に優しいガス発生体推進剤酸化剤は硝酸アンモニウムとすることができる。

特定の実施形態において、同じ推進剤は各区画または燃焼室において使用することができる。推進剤は各区画において異なった幾何学的形状を有することができ、このことは各区画からの異なった速度のガスの放出をもたらす。本発明のガス発生器は現在の単一段ガス発生器と同じ時間で最大膨張または完全な展開に到達するように設計することができる。しかし、既に知られているガス発生器と比較して、本発明の発生器は、より先進的な推進剤の幾何学的形状を備え、次に続く段階におけるより漸進的な膨張速度が後に続く、より迅速な初期膨張を有することができる。この連続する膨張速度は車両の搭乗者に対する安全性を改善することができ、かつ／または、爆発兵器および準爆発兵器の射出に対する最終速度の改善された制御を提供することができる。

特定の実施形態において、本発明によるガス発生器において使用されている１つの推進剤またはガス発生体は、（１）現在のエアバッグ推進剤調合物に対立するものとして、酸化剤として、非有害かつ非腐食性である硝酸アンモニウム、（２）以下に特性を説明するＣＬ−２０または他の適する燃料などの高いエネルギー密度および高い安定性を有する燃料、および、（３）ポリカプロラクトン（ＰＣＬ）、ポリイソブチレン（ＰＩＢ）、または、アジ化グリシジル・ポリマー（ＧＡＰ）などのバインダを含むことができる。本発明の燃料のためにＣＬ−２０の代わりに、または、これとの組み合わせで使用することができる燃料は、以下の物理特性の匹敵する、または、より大きな値を有する。すなわち、密度、生成熱、および、分解熱。このような適する燃料の例はトリアミノトリニトロベンゼン（ＴＡＴＢ）および２，６−ジアミノ−３，５−ジニトロピラジン−１−酸化物（ＬＬＭ−１０５）を含むが、これらに限定されない。

特定の実施形態において、第２の推進剤は約７０から９５％の高エネルギー・ニトロアミン燃料、５から２５％の高エネルギー・ポリマー・バインダ、および、０．１から５％の閃光抑制剤を含むことができる。

特定の実施形態において、高温金属粒子、例えば酸化第二銅（ＣｕＯ）の発生は回避され、現在のエアバッグ・システムにおいて使用されている如くの高価な濾過システムは不必要とすることができる。コーティングされたエアバッグの使用は回避できる。

本発明は新しいタイプのガス発生器に関する。新しいタイプのガス発生器は、例えば、準爆発兵器を展開するため、弾頭の狙いを定めるため、自動車用エアバッグ・システムのため、浮き装置のため、酸素発生装置において酸素を生成するため、および、他の実用例などの様々な軍用および民生用の実用例において使用することができる。これらのガス発生器は少なくとも２つの燃焼室を有し、燃焼室の条件は個々のガス体積が異なった条件下で生成されること、すなわち、各燃焼室により生成されるガスの体積に対する圧力対時間のプロファイルが異なったものにできることを可能にする。

このように、複数の燃焼室を異なって設計することにより、ガス発生器は特定の実用例の必要性に適合することができる。例えば、弾道の制御を改善するために、二連燃焼室ガス発生器を使用することができ、既に知られているガス発生器に比較すると、１つの燃焼室はエアバッグの初期の非常に迅速な部分的展開を提供するように設計されている。第２の燃焼室は、既に知られているガス発生器に比較すると、エアバッグの第２のはるかにより緩慢な膨張を提供するように設計することができる。

特定の実施形態において、二段ガス発生器は、自動車と物体の間の衝撃の時点で発生するものなどの車両の即座の減速の時点で起動するように設計されている自動車用エアバッグ・システムにおいて使用することができる。慣性スイッチはガス発生器またはガス注入器がシステム内のエアバッグを展開するように動作のきっかけとなることができる。

特定の実施形態において、ガス発生器の各燃焼室からのガスの連続的な解放およびエアバッグの連続漸進的膨張は、例えば、爆発兵器または準爆発兵器の水平および過渡的経路の間ならびに下方自由落下の間のそれらの弾道の改善された制御を提供することができる。

本発明の１つの実施形態による二連段または二段の発生器を図１に示す。ガス発生器１０Ａを図１Ａに示す。この設計において、２つの燃焼室１は収納筐体２内に存在し、かつ、厚さ３．００ミリの壁３により分離されている。各燃焼室は、同じ調合物を有するが幾何学的形状が異なった双方の推進剤を持つ推進剤４を含む。推進剤の幾何学的形状は所望の第一段および第二段の性能を生成するように選択されている。

２つの点火装置が、各燃焼室に対して１つずつ存在することができる。２つの点火装置は、進行性またはより迅速なもしくは高Ｒ_Ｑの燃焼推進剤と、定面性またはより緩慢なもしくは低Ｒ_Ｑの燃焼推進剤の間で５から２０ミリ秒の差で機能するように設計することができる。点火装置は、点火装置６を取り囲み、かつ、点火の時点で推進剤のパワーを増強するように設計されている点火増強剤５を含むことができる。爆裂ディスク７は、解放されたガスが、ガスが解放されるガス・ポート８内に流れて集められることを可能にする。特定の実施形態、例えばサイド・エアバッグで使用されているものなどの超小型設計は溶滓フィルタ９を含むことができる。溶滓フィルタ９はヒート・シンクとして、かつ、必ずしも微粒子フィルタとしてではなく使用することができる。ガス発生器により生成された高温ガスは溶滓フィルタを通過し、かつ、熱伝導により溶滓フィルタに向けて熱を失う。

例示的実施形態において、溶滓フィルタは、例えばＺｅｏｌｉｔｅ ＣＶＢ−１００などのゼオライトとしても知られているアルミノケイ酸塩ナトリウム粉末でコーティングすることができる。これは、ガス発生体がＣＬ−２０、ＧＡＰ、および、ＫＮＯ_３を含む場合である。このような実施形態において、ゼオライト・コーティングはガスの温度を低減するように機能し、それにより、設備に対する燃焼損傷ならびに爆薬の不完全爆発の可能性を低減する。ゼオライト・コーティングはＮＯ_ＸおよびＣＯなどの有毒ガスを捕捉することもできる。言い換えれば、ゼオライトは大型の２原子性および多原子性のガスに対する分子トラップとして機能することもできる。溶滓フィルタにおいて使用されているゼオライトの割合は、フィルタの重量で１と１０％の間から、より好ましくは３と７％の間の範囲で、かつ、最も好ましくは５％とすることができる。代案として、同じ結果をもたらすために、適する大表面積材料を使用することができる。

典型的なエアバッグのためのガス発生器は非常に小さくすることができる。１つのエアバッグに対する全体的な寸法は約８５ｍｍ×４４ｍｍとすることができる。そのような典型的なガス発生器１０Ｂの寸法を図１Ｂに示す。

例えばより大型の爆発兵器のために、より大きな出力を必要とするエアバッグに対して、より多くの推進剤重量が必要であり、かつ、より大きなガス発生器を使用することができる。推進剤の量は計算することができ、ガス発生器のサイズはそれに従って調整される。

図１Ｃおよび１Ｄを参照すると、小型または超小型の二連段ガス発生器の設計を示す。ガス発生器１０Ｃおよび１０Ｄは、それぞれ、図１Ａおよび１Ｂに示すものと原則的には同じであるが、サイズがより小さく、かつ、推進剤の質量が小さい。２つの燃焼室間の仕切りは不要な安全性の問題を排除すること、すなわち、隣接する燃焼ポートに伝播することの防止を狙っている。もし１つの推進剤が展開されれば、反応により生成された熱は隣接する燃焼室の推進剤を加熱する可能性があり、かつ、第２の推進剤を展開した時点で激しい高圧がエアバッグに誤動作を引き起こす可能性がある。

二連燃焼室ガス発生器の各燃焼室におけるガス発生体は、調合物に関しては一般に同じであり、異なった幾何学的形状を有する各ガス発生体を備えている。根本的に、ガス発生体は、３７、１９、７、もしくは、１個のせん孔を持つか、または、１つも持たない円筒形、六角形、または、（最も効率的な）円座形の幾何学的形状を有することができる。所望の実用例によっては、第２の燃焼室における第２のガス発生体ならびに追加の燃焼室におけるいずれのガス発生体も、第１のガス発生体に比較して、より少ないせん孔を備えて増面性が弱く、定面性、または、減面性とすることができる。好ましい２燃焼室エアバッグにおいて、第２の燃焼室におけるガスの発生に対する第１の燃焼室におけるガスの発生の比は１より大きい。例えば、第１の燃焼室により生成されたガスに対して、時間に応じた圧力の変化は、第２の燃焼室から生成されたガスに対する時間に応じた圧力の変化の２倍またはそれ以上の大きさとすることができる。

せん孔の幾何学的形状を変化させるに従った各燃焼室の点火の時刻の双方を変化させる能力は、エアバッグの膨張特性に対する高度な制御を産み出す。すなわち、時間に従った圧力の変化は非常に良好に制御することができる。例えば、２燃焼室ガス発生器が使用されている図２を参照されたい。膨張の初期部分において、時刻に対する圧力の変化は対照標準、すなわち、単一段ガス発生器よりはるかに急峻である一方、第２段における変化の速度は対照標準より漸進的である。二段ガス発生器を有するエアバッグを使用することは、一段ガス発生器に対する膨張速度のはるかに改善された制御を有する。

固体推進剤はガス発生器およびロケットの内燃機関の推進剤の２つの等級にしばしば分けられている。この分け方はそれらのエネルギー含有量に主に基づいている。ガス発生器推進剤は酸化剤として硝酸アンモニウム一般に含んでおり、かつ、少量の金属性添加物を含むか、または、全く含まない。複式組成物、および、例えば酸化剤としてＲＤＸ、ＨＭＸ、ＥＤＮＡ、ＮＧＵなどのニトロアミン、過塩素酸アンモニウムなどを含む複式組成物は、米国陸軍の広域爆発兵器（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｍｕｎｉｔｉｏｎ：ＷＡＭ）用予備電池のガス発生器、Ｎ−５の場合におけるように、ガス発生器として含むことができる場合もある。過塩素酸アンモニウムはロケットの内燃機関の推進剤に対する一般的な酸化剤の１つであり、エネルギー含有量を増加させるためにアルミニウムなどの金属がしばしば添加されている。推進剤のエネルギー含有量が増加するに従い、火炎または燃焼の温度も上昇する。ほとんどのガス発生器推進剤の火炎の温度は１６００°から３０００°Ｆ（８７０°から１６５０℃）の範囲にある一方、ロケットの推進剤は３０００°から６０００°Ｆ（１６５０°から３３１５℃）の範囲にある火炎温度を一般に有する。

特定の実施形態において、１６００°と３０００°Ｆ（８７０°から１６５０℃）の間の火炎温度を有する固体推進剤が使用されている。使用される燃料は、合成ゴム、または、化学的構造、機械的特性、および、処理性に基づき選択されたプラスチックとすることができる。一般に使用されている材料のいくつかは、アクリル酸ブタジエン、ブタジエン／メチルビニルピリジン、酢酸セルロース、ニトロセルロース、ポリイソプレン、および、ポリ塩化ビニルである。ほとんど全てのガス発生器推進剤において最も一般に使用されている酸化剤は硝酸アンモニウムである。全ての複合推進剤は、所望の燃焼速度、温度感度、火炎温度、ガス出力、および、物理的特性を達成するために、１つの形態またはその他になった添加物を含んでいる。

マルチベース固体推進剤はガス発生体としても使用することができる。事実、これはＷＡＭ電池ガス発生器において使用されているタイプの固体推進剤調合物である。既に説明したように、これらは２３００°と３５００°Ｆの間（１２６０°と１９２６℃の間）のより高い火炎温度を一般に有し、かつ、排気ガス中により多くの固体粒子を有する。これらの均一な調合物は、全ての他の材料がなくても燃焼が可能である、すなわち、極端に点火が容易な推進剤であるニトロセルロースおよびニトログリセリンなどの不安定な化学化合物で基本的にできている。「複式」推進剤と呼ばれることもあるこのタイプの推進剤の最も一般的なのものはニトログリセリンおよびニトロセルロースのコロイドである。

複式推進剤の成分の混合は、例えばＮ−５推進剤の場合に見られるように、完成された推進剤の所望の特性を達成するために特定の順序で混合機に未加工の各成分を充填することにより行なうことができる。一般的な使用法における混合機は水平および垂直なタイプであり、すなわち、混合ブレードの回転の軸が垂直または水平である。ブレードの動きは様々な成分を１つの均一な混練物に徹底的に分散し、混合し、かつ、組み込むことができる。この混合は、ブレードの回転の比率または速度、および、時間に関して緊密に制御することができる。過剰混合または混合不足は弾道の、または、物理的特性の要件を満たさない推進剤を生成することがある。

固体推進剤粒子は、Ｎ−５推進剤の場合のように押出しにより、圧縮成形により、または、鋳造により形成することができる。ほとんどの推進剤がそれらの化学的性質によりこれらの方法の１つまたは２つに限定されるため、かつ、いくつかの粒子形状が他の処理方法より１つの処理方法に適しているため、全ての利用可能な方法により特定の粒子を形成することはほとんど不可能である。したがって、所望されている特定の調合物および形状が利用可能な処理技術に適するかどうかを決定することが必要となる。粒子は、最もよく設備が備えられた機械加工所において見出される設備により加工することができる。

固体推進剤ガス発生器のエネルギー解放速度は粒子の構造に大きく依存する。可能な幾何学的構造は実質的に無制限である。ほとんどの実用例は、２０から１００秒以上の時間にわたり、または、比較的高エネルギーの解放速度において１から１０秒の短い継続時間にわたり比較的一定のエネルギーを必要とする。典型的な推進剤粒子の構造を図６に示す。

例えば図６Ａに示す端面燃焼速度またはタバコ式燃焼速度は直径および１つの端部上に制限され、他の端部を、露出し、かつ、自由に均一に燃焼するように放置する、すなわち、長さ全体にわたり定面燃焼を経験する。この構造はより長い継続時間にわたり低エネルギー解放速度に対して使用されている。図６Ｂに示す構造は内径を除いた粒子の全ての表面に塗布されている図１１の１１４としても示す制限剤、または、阻害物質を有する。この露出された推進剤は、点火されると、外側に向けて燃焼し、火炎の前面が進行するに従いより多くの推進剤を露出する。この構造は漸進的なエネルギー解放速度を生成する。図６Ｃに示す粒子構造は制限されていない内径および外径を有する。内径および外径の双方が点火されれば、エネルギー解放は均一速度のものとなるが、燃焼の時間は図６Ａに示す端面燃焼のものよりかなり短くなる。他の多くの構造および特定の幾何学的形状は所望のエネルギー解放速度を得るために使用することができる。一般に使用されている幾何学的形状は７および１９個のせん孔、漸進的な円筒形細粒、および、高い効率および大きなエネルギー解放速度を有する多せん孔円座タイプ構造を含むことができる。

推進剤粒子のエネルギー解放速度は点火サイクルの開始から終了までを基準値と関連付けることができる［ｄ（ｄｐ／ｄｔ）／ｄｔ］。この速度は相対迅速性（Ｒ_ｑ）または鋭性率とも呼ぶことができる。相対迅速性は推進剤の幾何学的形状、すなわち、粒子の直径、せん孔の直径、ウェブ（ｗｅｂ）の長さ、および、せん孔の数により制御される。このような推進剤は迅速推進剤と呼ばれ、１ミリ秒の何分の１かで閉鎖された燃焼室において圧力を発生する。迅速推進剤は、自身の燃焼時間を許容できる安全な割合にまで緩化するために、ほとんど常に阻害物質または不活性材料を必要とする。このような阻害物質は多くのコーティング技術の１つで推進剤の表面に塗布される。

使用可能な阻害物質コーティングの例は、ポリエステル可塑剤（Ｐａｒａｐｌｅｘ）（Ｈｅｒｃｏｔｅ）、ジエチレングリコールジメタクリル酸エステル（ＤＥＧＤＭＡ）、および、ジブチルファタル酸塩（ＤＢＰ）を含むが、これらに限定されない。最初の２つの阻害物質コーティングは、推進剤粒子の点火の時点でのエネルギー解放の速度を低減する上で非常に有効であることが証明されている。しかし、ＤＢＰはさほど好ましくない。なぜなら、ＤＢＰが特に１４０°Ｆ（６０℃）を超えた温度でより長い時間にわたり移動するからである。

推進剤が阻害物質コーティングされていると、コーティングは通常粒子全体を通じて滲み込むが、比較的高い濃度で表面上にも残る。このことは、弾道サイクルの初段における燃焼の減速、すなわち、圧力の低減／制御をもたらす。ＤＢＰの場合、コーティングは、自身の小さな分子量により、コーティングの等しい分布が粒子全体を通じて達成されて平衡が達成されるまで粒子の中心に向けて移動する。その結果、粒子の点火の時点で、エネルギー解放速度は予測したものより比較的大きく、ＬＡＴの失敗またはより大きなシグマにつながる。

推進剤の燃焼速度は燃焼区画が推進剤の質量内に進行する速度であり、質量燃焼速度と呼ぶことができる。燃焼速度は特定の推進剤調合物、燃焼室圧力、および、推進剤温度の関数となっている。通常、特定の推進剤温度における燃焼速度は以下のように表すことができる。
ｒ＝ａＰ^ｎ、または、ｒ＝ａ（ｐ／１０００）^ｎ
もし燃焼速度対圧力が対数用紙上にプロットされれば、曲線は直線となり、線の傾きは「ｎ」であり、１ｐｓｉａまたは１０００ｐｓｉａにおける燃焼速度切片が「ａ」となる。

ほとんどの固体推進剤はこの直線関数に従う。しかし、いくつかの推進剤の場合、圧力の指数（ｎ）は定数ではなく、すなわち、それは高圧または低圧において変化する可能性がある。少数の推進剤について、圧力の指数は圧力の限られた範囲にわたり定数のままで留まる。後者のタイプの推進剤の場合、燃焼速度のデータは経験的なデータまたは燃焼速度のプロットから導出することができる。推進剤の燃焼速度は周囲推進剤温度にも依存する。温度に対する感度は通常一定ではない。この感度は周囲温度と共に変化し、高温および低温では低下し、そのため、通常、この感度は特定の温度範囲、通常１６０°から−６５°Ｆ（７１から−５３℃）に対して与えられている。一定圧力における温度に対する感度σ_ｐは以下により与えられる。
σ_ｐ（％／Ｆ）＝｛［Ｉｎ（ｒ_２／ｒ_１）］／（Ｔ_２−Ｔ_１）｝×１００
Ｐ_ｃ＝ガス発生器において一定
一定の燃焼面積対ノズル面積の比を持つ圧力系の温度に対する感度は以下のように与えられる。
π_ｋ（％／Ｆ）＝｛［Ｉｎ（Ｐ_ｃ２／Ｐ_ｃ１）］／（Ｔ_２−Ｔ_１）｝×１００
Ｋｎ＝ガス発生器において一定
対数プロット上で、これは、図７に示すように４５°の傾きの線による燃焼速度対様々な温度における圧力線の切片により表される。
σ_ｐとπ_ｋの関係は以下の通りである。
π_ｋ＝σ_ｐ／（１−ｎ）

ガス発生器に対する多くの異なった実用例のために、特定のユニットに対する点火システムに課された要件は広範に変化する。その結果、ガス発生器の動作の全ての段階は、起動の方法から排気ガス生成物の影響まで、徹底的に検討されるべきである。例えば、点火二次炸薬において、所望の温度に対する迅速で高信頼性の再現可能な点火はいずれの固体推進剤ガス発生器に対しても目標となっている。ユーザにより最も頻繁に指定される点火のパラメータのいくつかは、点火に必要な時間、すなわち、燃焼を開始するための信号と粒子の一定した燃焼の達成との間の時間的間隔、最大点火圧力、点火装置燃焼生成物、および、信頼性の高い点火が起こる温度および圧力の範囲である。

固体推進剤ガス発生器に対する点火システムは広範な温度範囲にわたり推進剤粒子の迅速で信頼性の高い点火を生成することが望ましいとすることができる。これらのシステムはしばしば非常に複雑であり、開始装置８０、二次炸薬８１、および、初期燃焼表面８２を示す図８に示すようにいくつかの構成部分から作られている。

本発明に対して使用することができる点火システムは、以下に説明する電気的に作動される開始装置、火工または二次炸薬、および、推進剤粒子を含むことができる。開始装置は二次炸薬に点火し、二次炸薬は推進剤粒子表面に点火する。二次炸薬は、粒子表面の点火を完了するための適切な時間にわたりエネルギーを供給し、かつ、ガス発生器の自由体積に圧力をかけなければならない。用語「増強剤」は点火システムの保持炸薬を識別する際に頻繁に使用されている。

粒子の点火のために必要な総エネルギーに比較すると、点火剤のエネルギー出力は小さい。なぜなら、点火剤の機能は非常に近接している容易に点火可能な火工材料に点火することのみであるからである。いくつかの設計は、不活性ガス発生器構成部分内への熱の損失を補償するために、点火の初期部分の間に追加のエネルギーを必要とする。このことのために、粒子の初期燃焼表面は、追加の燃焼表面を設けるために溝、スロット、または、孔を介して輪郭が形成されている。この輪郭形成部分はすぐに燃え尽き、所望の燃焼表面を残す。

指定された要件、例えば本発明の実施形態の範囲内での使用のためなどを満たすために点火システムを設計する際に、特定のパラメータは固定することができるか、または、例えば狭い限界値内で、変化させることができる。固定されたパラメータは、点火装置のための開始機構、推進剤のタイプおよび構成、燃焼室の設計、および、ノズルまたは排出孔のサイズに関する。他の設計特性により課された条件下での最終製品の要件を遵守するために変化させることができる点火装置の性能は、以下を含む要因により影響を受ける可能性がある。
一次開始装置の選択
点火系列または二次炸薬のタイプ
点火材料の組成
二次点火炸薬の密度および形状、例えば圧縮されている、緩いなど、および、
例えばピッグテール・コネクタ、ＡＮコネクタなどの電気的接続部を含む点火装置ハードウェアの設計。

高信頼性の点火のために、ほとんどのガス発生器推進剤は、最初はバインダおよび酸化剤を分解するため、および、続いて燃焼工程が平衡の状態に到達することを可能にするために、エネルギーの一定した投入を必要とする。この原則に基づく点火装置は「サステナ」点火装置と呼ばれる。つまり、点火システムの機能または工程は以下のように要約することができる。
推進剤粒子に点火するために十分な速度および量の熱エネルギーを供給する、
発生器の自由体積に圧力をかける、および、
熱平衡が達成されるまで、粒子出力を補うためにガスおよび／または熱を供給する。
工程３は回帰的要件である。なぜなら、熱平衡は非対称的に接近されるからである。したがって、適切な点火設計は以下を含む。

容器に迅速に圧力をかけ、加圧した時点で燃え尽きるように設計された迅速に燃焼する炸薬、および、
時間の関数として直角三角形にほぼ等しいエネルギー出力を有するサステナ。
容器に圧力をかけ、かつ、点火工程を開始させるために最大のエネルギー出力を得ることが望ましい。サステナは加圧炸薬により開始され、かつ、最大初期出力から熱平衡が達成された点におけるゼロまで回帰する。この点火システム・モデルは「滑らかな」圧力−時間特性、すなわち、大きなピークがなく、燃焼全体を通じた定面の圧力−時間曲線が後に続く、動作圧力への迅速な加圧を有する点火システムの設計のための基礎として機能する。点火装置のエネルギー要件を見積もるために、経験的な方程式が開発されている。点火装置の最終的な調整はガス発生器システムの弾道試験を介して行なうことができる。

モデルとなる点火要件を提供するために使用された技術は広範に変化する。いくつかの典型的なシステムを図９に示す。しかし、ほとんどの点火システムは以下の構成部分からなる。すなわち、開始装置９１、伝爆薬９２、増強剤９３、および、サステナ９４であり、ここで、増強剤およびサステナは二次炸薬を形成する。図９Ｃおよび図９Ｅに示すように、それぞれ、タイプ「Ｃ」およびタイプ「Ｅ」の点火システムは特定の実施形態において使用することができる。他の点火システムも使用することができる。

図１０を参照すると、開始装置は２つの主な範疇、電気的に動作されるか、または、機械的に動作されるものに分けることができる。（図１０に示す）電気的に動作される開始装置１００は、高温線または爆発ブリッジ線のいずれかで開始される。機械的に動作される開始装置は衝突または衝撃により作動される。電気的に動作される開始装置は好ましい実施形態において使用することができる。

高温線開始装置は２つの電極１０２と１０３の間に搭載された抵抗線または要素を有することができる。この要素は低点火温度火工ビードでコーティングすることができる。ブリッジ線１０１または要素を介して流れる電流は火工の温度を、それの自動点火温度を超えて上昇させ、火工および火工系列の残り部分を開始させる。線の抵抗および火工から離れて熱を伝道する開始装置の能力は、開始装置の非火炎および全火炎特性を決定することができる。大電流開始装置、例えば１アンペア／１ワットから５アンペア／５ワットはより大きなヒート・シンクまたは熱放散能力を有する。

爆発ブリッジ線開始装置は高温線型と類似しているが、ブリッジ線１０１にわたり印加された高エネルギー電気パルスが線１０１を蒸発させ、それにより、電気エネルギーを熱エネルギーに変換し、隣接する火工材料に点火することを除く。電流を差し向けるための開回路を提供するために、隙間が開始装置においてしばしば使用されているが、高電圧パルスに対して、この隙間は架橋され、抵抗線は爆発する。

図１１は様々な構造について予測可能なタイプの台座を示す。同図は、いずれか、または、双方のシステムの適切な使用により、所望の点火圧力−時間曲線が得られることを示す。点火と推進剤燃焼平衡状態の間の滑らかな遷移を提供するために、点火サステナがしばしば使用されている。１つのタイプの点火サステナは粒子１１３の表面に固着された高エネルギー推進剤の小型パレットおよび／またはディスク１１１とすることができる。粒子表面内に切り込まれた溝１１２は、増加した燃焼表面および迅速な点火を得る上での支援を提供する。二次炸薬は、もし適切に設計されていれば、周囲の金属構成部分への熱損失による「圧力台座」または圧力の一時的低下を防止することができる。

開始装置の選択は一次点火材料に熱エネルギーを提供するために利用可能な手段に依存することができる。電流は感熱火工構成部分に内蔵された低抵抗、例えば０．０２から５．０オームのブリッジ線を介して印加することができる。経験的に確実なことは、固体推進剤のエネルギーが低下するに従い、必要な点火システム出力は大きくなるということである。点火炸薬システムの設計に影響を及ぼす物理的パラメータは自由体積、粒子構造、および、推進剤燃焼表面である。迅速な点火は加圧により大きく促進されるが、点火段階中の圧力の行き過ぎを防止するために注意を払うべきである。ガス発生器システムに対する要件を決定する時、いかなる物理的構造も固定する前に点火システムに慎重な配慮をするべきである。

１つの実施形態の動作を説明する。点火装置への信号の受信の時点で、より進行性のガス発生体は迅速な点火を経験し、かつ、エアバッグの総容量の３５から８５％、好ましくはエアバッグの総容量の４５から８５％、かつ、最も好ましくはエアバッグの総容量の６５から８５％にエアバッグを膨張させるために十分な圧力を発生する。第２の燃焼室における第２のガス発生体は、何らかの与えられた時間ｔ＝ｔ_{ｐｍａｘ（第１のガス発生体）}の４５から９５％において開始される。すなわち、第２の燃焼室におけるガス発生体は、第１の発生器からガスの４５から９５％が発生されると開始することができる。好ましくは、第２の燃焼室におけるガス発生体は、第１の発生器からガスの６５から９５％が発生されると開始することができる。本発明の好ましい実施形態において、第２の燃焼室におけるガス発生体は第１の発生器からガスの９０から９５％が発生されると開始することができる。

第２の燃焼室におけるガス発生体は、その特定のサブシステムのためのそのエアバッグに対して定格とされた圧力に等しい内部ガスの全体的圧力を達成するために、エアバッグの残りの膨張を提供する。すなわち、本新規なシステムの双方の燃焼室からガスが完全に発生されると、エアバッグの最終的ガス圧力は、現在の一段ガス発生器からの圧力と等しくなる。提案する技術におけるガス発生の速度は、異なった速度のガス解放を発生する推進剤を提供するという手段により制御される。異なった速度のガス解放を提供することにより、圧力対時間曲線は二段システムに対して２つの傾きを有する。１つの傾き、例えば第１の燃焼室における第１のガス発生体に対応する傾きは非常に急峻な傾き［（ｄｐ）_１／］ｄｔ）_１］を有することができる一方、第２のガス発生体に対する第２の傾きはさほど急峻でない傾き［（ｄｐ）_２／］ｄｔ）_２］を有する。エアバッグの完全な展開に対応する最大体積までへの有効時間は、それでも同じであるが、エアバッグに対する強力な衝撃を防止する形で制御される。

商工業用または民生用の実用例において、この性能は有利である。なぜなら、１００ｍｐｈ（１６５ｋｍ／時）を超える速度で走行している車両においてエアバッグが展開した時、または、子供、体重の軽い搭乗者、または、喫煙中の搭乗者に展開した時に発生する可能性のある深刻な偶発的災害および可能な死亡事故を、この性能が防止できるからである。

軍用実用例において、この性能は有利である。なぜなら、この性能が弾道に対する改善された制御を提供し、かつ、現在使用されているエアバッグ・システムの結果生じる弾道の激しい変化の結果として生じる災害を防止するからである。

本発明の実施形態は、圧力対時間曲線のより良い制御さえ可能にするために、３つ以上の燃焼室さえ備えたガス発生器システムを有することができ、そのため、設計者がほとんどいかなる圧力対時間プロファイルにも合わせることを可能にする。

受動的エアバッグ抑制システムのためのガス注入器またはガス発生器を設計する際に配慮する問題は、エアバッグを満たすガスの中毒性および有毒性を含む。エアバッグのためのガス注入器は、エアバッグの各部を損傷する可能性のあるガスおよび他の物質を排出または濾過することができる。もしガス発生組成物が高度に中毒性または不安定であれば、製造工程中に特別な取り扱いが必要となり、かつ、もし爆発兵器および／または準爆発兵器システムのいかなる部分でも存続していれば、装置の有用な寿命の終了時に処分の問題を創出する可能性がある。

例えば、（エアバッグの実用例のための）ほとんどのガス発生器におけるガス発生組成物として使用されている未加工のアジ化ナトリウムは、比較的強い毒性を持ち、この毒性は製造工程中に取り扱いの問題を創出する。さらに、もし軍人または民間人が装置の残りの部分に曝されれば、毒性または環境汚染の懸念を考慮することが必要となる可能性がある。

現在使用されているエアバッグは、バッグへの損傷を防止するために一般にコーティングされている。梱包の制約は、受動的エアバッグガス注入器の開発において、さらなる設計の配慮を加えている。例えば、重量およびサイズは車両用ガス注入器の設計の適切性を決定する上で主要な要因である。

本明細書に開示された新規なガス発生器の実施形態において、（高温の固体副生成物を除去するための）複雑で高価な濾過システムに対する必要性は排除されている。（現在の一段ガス発生器において、フィルタは必要である。図３の部品１１を参照されたい。）複雑で高価な濾過システムの排除は、ガス発生器の費用における少なくとも４％の低減を意味する。

本明細書で説明され、かつ、本発明による新しいガス発生器において使用することができるいくつかの推進剤は新規のものであると確信する。１つは酸化剤、燃料、および、成分を一体に保持するために使用されるバインダを含む。本明細書に説明する推進剤の実施形態は飛び抜けた性能を有し、現在使用されている推進剤より環境的により許容可能であり、かつ、ガス発生器において現在必要となっている濾過システムを必要としない。

酸化剤は好ましくは硝酸アンモニウムであり、これは推進剤の約８９．５±５．５％を構成することができる。酸化剤は、溶解および異なった粒子サイズへの再結晶化を防止するために相安定化しておくべきである。適する相安定化剤の例は硝酸カリウム（ＫＮＯ_３）であり、これは０．５％から７％の濃度で存在することができ、かつ、閃光の発生も防止することができ、硝酸カリウムの好ましい濃度は０．５％から１％である。この窒素が豊富な酸化剤は、安定化されると、衝突、衝撃、および、静電気放電に対して不感となり、このことは取り扱い、製造、および、梱包することを安全にする。相安定化された硝酸アンモニウムは熱サイクルの間の酸化剤の相転移を防止する。

燃料は推進剤の約８．４±５．０％を構成することができる。適する燃料はＣＬ−２０（Ｃ_１０Ｈ_２２Ｎ_１２Ｏ_１２）（Ｔｈｉｏｋｏｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）、ＲＤＸ（Ｃ_３Ｈ_６Ｎ_６Ｏ_６）、ＨＭＸ（Ｃ_４Ｈ_８Ｎ_８Ｏ_８）、ＧＡＰ（Ｃ_３Ｈ_５Ｎ_３Ｏ）_ｎ（アジ化グリシジル・ポリマー、または、アジ化ポリシクリジル）（ミネソタ州３Ｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）、ＥＤＮＡ（エチレンジニトロアミン）、ＴＡＴＢ、ＬＬＭ−１０５、および、これらの混合物を含むほとんど全てのニトロアミンを含む。好ましい燃料はＣＬ−２０である。

バインダは推進剤の約２．１±０．５％を構成することができ、かつ、（１）各成分を一体に保持するためのバインダとして、および、（２）迅速過ぎるガス発生をもたらす結晶の破口を防止するために機能する。適するバインダはポリカプロラクトン（ＰＣＬ）、ポリイソブチレン（ＰＩＢ）、ポリビニルピロリドン、および、それらの混合物を含む。

ＧＡＰは燃料兼バインダとして使用することができる。しかし、ＧＡＰの燃焼副生成物は有毒であり、増加された量の硝酸アンモニウムはこの短所を克服するために必要となっている。硝酸アンモニウムのこれらのより大きい濃度は、調合物を処理および点火することを困難にする。

他の実施形態において、ガス発生体は以下を含むことができる。すなわち、約７０から９５％のＣＬ−２０高エネルギー・ニトロアミン燃料、５から２５％の高エネルギーアジ化ポリグラシジル（例えば、アジ化グラシジル・ポリマーもしくはＧＡＰ）、または、高エネルギー・ポリマー・バインダー、例えばポリイソブチレン（Ｖｉｓｔａｎｅｘポリマー）もしくはＰＩＢ、および、０．１から５．０％の硝酸カリウムなどの閃光抑制剤。ガス発生体は二段ガス発生器において使用することができ、かつ、小さな、中程度の、および、大きな口径の弾丸の推進システムのために特に有用とすることができる。

他の成分は調合物に任意で追加することができる。それらは（１）約０．１から１．０％で使用することができる、例えばエチルセントラライト、Ａｋａｒｄｉｔｅ Ｉ、Ａｋａｒｄｉｔｅ ＩＩ、ジフェニルアミン、または、２−ニトロジフェニルアミンなどの安定性を制御するための材料、（２）約０．１から３．０％で使用することができる、例えばエチレングリコールジメタクリル酸エステル、ジエチレングリコールジメタクリル酸エステル、アリルメタクリル酸エステル、または、Ｈｅｒｃｏｔｅポリエステルなどのコーティング材料である弾道の突出部および初期圧力の急上昇を制御するための材料、および、（３）約０．０５から１．０％で使用することができる、例えば黒鉛などの重力密度を増大させ、かつ、静電気を放散させるための材料を含むことができる。

推進剤調合物は湿潤または乾燥した混合物のいずれかとして処理することができ、かつ、タブレット、ディスク、もしくは、他の形状に圧搾または顆粒に押出すことができる。Ｍ．Ｅ．ＦａｙｅｄおよびＬ．Ｏｔｔｅｎ、「Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｐｏｗｄｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」（１９８４）；Ｅｍｉｌ Ｒ．Ｒｉｅｇｅｌ、「Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ（２ｎｄ Ｅｄ．）」（１９６０）、および；Ｗｏｌｆｇａｎｇ Ｐｉｅｔｓｃｈ、「Ｓｉｚｅ Ｅｎｌａｒｇｅｍｅｎｔ ｂｙ Ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｉｏｎ Ｃｈ．４」（１９９１）において検討されている技術などの一般に使用されている配合技術を使用することができる。

異なった燃焼室において使用される推進剤は一般に同じ化学的組成を有することができるが、燃焼室はしばしば幾何学的形状が異なり、このことが、各燃焼室における推進剤の燃焼の速度に影響を及ぼしている。例えば、より多くのせん孔を備えた推進剤はより大きな表面露出を有し、このことがより迅速な燃焼をもたらしている。

推進剤の密度も推進剤の適切性の重要な指標である。好ましい密度は約９２％または理論的密度より大きいものとなる。もし密度が小さすぎれば、さほど多くの推進剤は燃焼室内に適合させることができない。第二に、もし密度が小さすぎれば、推進剤は、破砕する可能性が大きくなり、上記に検討したように燃焼速度に影響を及ぼす推進剤の異なった幾何学的形状につながる。

反応のガス状生成物の火炎温度が１２０°Ｆ（４８℃）未満の場合、推進剤の燃焼は安全である。燃焼の生成物は無害のガス、すなわち、水蒸気、窒素、および、二酸化炭素（ＣＯ_２）に一般に限られている。これらの生成物は環境には有害ではない。加えて、それらに腐食性はなく、このことはシステム内でコーティングのないエアバッグを使用することができることを意味する。

新規なガス発生器における推進剤の量は現在使用されている発生器において必要である量よりはるかに少ない。従来技術では典型的に７０から１００グラムの推進剤が使用されている一方、準爆発兵器を展開するために使用されている新規な発生器に対しては５から８グラムが必要となっている。

ガス発生器の性能を評価するために、弾道タンク試験を利用することが可能である。タンクは、ガス発生器が使用されるエアバッグと少なくとも同じ容量を有する必要がある。いずれの一般に使用されている弾道試験手順も、ガス発生器の性能を評価するために使用することができる。

エアバッグ・システムを展開する上で、様々な設計上の検討課題を考慮することができる。第一に、ガス注入器は、エアバッグ・システムに要求されている時間制限内でエアバッグに対して十分な量のガスを生成および／または解放することが可能でなければならない。軍用エアバッグ・システムに関与する時価制限を想定すると、エアバッグのサイズにもよるが、エアバッグは大雑把に約５から１００ミリ秒で展開する必要がある。ガス注入器は、意図された実用例にもよるが、これらの時間枠でエアバッグを１５から２００リットルで満たすことが一般に可能でなければならない。

動作において、ガス発生器は外部または内部の発信源から信号を受信し、続いて、この信号を各開始装置に送信する。エアバッグの膨張のタイミングは、ガス発生器に伝送されるトリガ信号、定義された一式の赤外線（ＩＲ）の要件に適合する目標を検出する準爆発兵器におけるＩＲセンサなどのセンサ、弾道における点を決定する方向センサなどの検出器、タイマー、兵器に組み込まれたコンピューターにプログラムされたデータ、または、他の技術のいずれかできっかけを作ることができる。各開始装置は、各開始装置の点火と起動間で、ミリ秒のオーダーとすることができる遅延を備えて連続的に機能する。

以下の実施例は本明細書に開示されている本発明を限定せずにさらに説明することを意図されている。

実施例１：二段ガス発生器
二段ガス発生器を図１に示す。図１Ａは発生器の各部分を示す一方、図１Ｂは代表的な寸法を示す。このシステムにおける推進剤の総重量は約５から１０グラムである。より小型の設計を図１Ｃに示し、対応する代表的な寸法を図１Ｄに示す。図１に示す実施形態は、例えば準爆発兵器を展開するためのエアバッグ・システムまたは自動車におけるエアバッグ制限システムにおいて使用することができる。

実施例２：性能データ
既に使用されている推進剤（表１Ｂ）と比較された８７％のＣＬ−２０、１２％のアジ化ポリグリシジル、および、１％の硝酸カリウム（表１Ａ）を含む本発明による１つの推進剤の実施形態の性能を、ＦＯＲＴＲＡＮで書かれた熱化学的シミュレーション・プログラムにより評価して示す。プログラムはガス発生体の理論的、熱化学的性能を示す。示す出力は、中でも、予測された理論的密度、燃焼室内の反応温度、（γとして示されている）比熱、および、エネルギーまたは運動力を掲げている。出力は、モル、重量％、モル％、および、体積％での燃焼の予測副生成物も掲げている。示す出力値は推進剤の１００グラムに基づく。

実施例３：準爆発兵器の展開
爆発兵器システムは準爆発兵器でロケットを取り囲むことにより組立られている。エアバッグはロケットと準爆発兵器の間に挿入することができる。システムは、少なくとも２つの燃焼室を有するガス発生器も含む。システムが意図された目標の付近に近づくと、ガス発生器は動作状態となってエアバッグを膨張させ、したがって、準爆発兵器を展開する。２つ以上の燃焼室を有することにより、このガス発生器は、１燃焼室ガス発生器よりも予測可能な形でエアバッグを膨張させることができる。これは、準爆発兵器が意図された目標のより近くに展開されることを意味する。

実施例４：準爆発兵器の弾道を制御するためのエアバッグの使用
実施例３の準爆発兵器が下方弾道を一旦取り始めれば、準爆発兵器上のパラシュートＰに接続されたエアバッグはパラシュートＰを展開するために膨張させられる。図５Ａを参照されたい。このガス発生器５０Ａは２つ以上の燃焼室を有し、かつ、パラシュートの展開、したがって、準爆発兵器の弾道に対して、１つの燃焼室のみをガス発生器に含む初期のシステムに対して、より良好な制御がある。パラシュートは準爆発兵器の速度を低減し、かつ、垂直、過渡的経路、および、下方自由落下の間に準爆発兵器のバランスも取る。

パラシュートに対する代案は準爆発兵器に浮力を与えるためにのエアバッグ自体の使用である。図５Ｂを参照されたい。エアバッグは準爆発兵器に装着されており、膨張させられると、風船型の物体のように行動する。このエアバッグはガス発生器５０Ｂからのガスにより膨張させられ、パラシュートにより与えられる抗力を与えるよりも、むしろ、エアバッグは浮力を与え、浮力も同じく準爆発兵器の弾道に影響を及ぼす。パラシュートＰが、ガス発生器５０Ｂにより膨張させられた風船状の物体として示すエアバッグＡに置き換えられている図５Ｂを参照されたい。

実施例５：弾丸を推進するためのガス発生器の使用
ガス発生器は弾丸を推進するために使用することができる。弾丸の容器内で使用されている銃砲用火薬の代わりに、ガス発生器を使用することができる。ガス発生器は弾丸の前の銃口に設置された独立した、例えばプラスチックまたはセラミックの構成部分に収容することができる。代案として、ガス発生器は、図５Ｃに示すようなガス発生器５０Ｃおよび飛散物５８を備えた容器に対する必要性なしに、兵器の銃身５９内に装填することができる。
爆発兵器をを推進するために必要なガス発生体の量は、ガス発生体の量を発生される圧力および爆発兵器の速度に関連付けているよく知られている方程式を使用して算出することができる。例えば、
現在の仕様に等しいか、または、それより１５％速い銃口速度付近でいずれの中型キャリパも推進するために必要な５５から６５ｋｐｓｉ（３７９から４４８Ｍｐａ）。
５５から６５ｋｐｓｉ（３７９から４４８Ｍｐａ）は２０００［ｍ／ｓ］の銃口速度付近でＭ９１９中程度キャリパを推進するために必要である。Ｍ９１９カートリッジは曳光弾を備えた２５ｍｍの装甲貫通可能な安定翼付き廃棄式弾底木板である。
現在の仕様に等しいか、または、それより３０％速い銃口速度付近でいずれの大型キャリパも推進するために必要な６５から７５ｋｐｓｉ（４４８から５１７Ｍｐａ）。

実施例６：点火システム
ガス発生体の各燃焼室における推進剤を特定の時刻に点火する必要があるため、１つの燃焼室における点火が他の燃焼室の推進剤に偶発的には点火しないことが重要である。さらに、各燃焼室が特定の時刻に点火されることが重要である。なぜなら、各燃焼室からのガス発生速度がエアバッグの膨張速度を制御するからである。

例えば、典型的な２燃焼室ガス発生器の第１の燃焼室は、エアバッグを、例えば１０ミリ秒以内で膨張させるために必要なガスの総量の８から２０％を発生できる。第１の燃焼室からのガスの好ましい割合は１０から１５％であり、最も好ましい量は必要なガスの総量の１５％である。

第２の燃焼室に対する点火システムは、第１の燃焼室からのガス発生のほぼ終了時に点火しなければならず、かつ、第２の燃焼室からのガス注入の速度はエアバッグが使用される最終的な活動を制御しなければならない。例えば、爆発兵器から準爆発兵器を射出するため、または、準爆発兵器の弾道を制御するためのパラシュートを展開するために、好ましくは６０と９０ミリ秒の間の第１および第２の段の双方に対する速度が組み合わされた燃焼時間が必要である。

当業者は、本明細書に開示されている発明に沿った発明の他の変形があることを理解されよう。例示的実施形態に関して特定の寸法が提供された一方、そのような実施形態または寸法は本発明の範囲を限定しない。本発明は、本明細書に説明した態様、または、そのような態様に対する等価物を包含するいかなるサイズのいかなる実施形態も含むことができる。
以下の表も含まれている。

二段ガス発生器の1つの実施形態の各部を示す図である。 二段ガス発生器の１つの実施形態の各部の典型的な寸法を示す図である。 より小型の設計の二段ガス発生器の1つの実施形態の各部を示す図である。 より小型な設計の二段ガス発生器の１つの実施形態の各部の典型的な寸法を示す図である。 単一段ガス発生器のガス発生体と比較した二段ガス発生器の展開を示す図である。 従来技術の典型的な単一段ガス発生器を示す図である。 背骨チューブ４１内のガス発生器４０に含まれた兵器システム内のいくつかの準爆発兵器Ｓを展開するエアバッグを示す図である。 準爆発兵器を減速するため、かつ、それの速度および弾道を制御するための落下傘を展開するエアバッグを示す図である。 準爆発兵器を減速するため、かつ、それの速度および弾道を制御するための落下傘を展開するエアバッグを示す図である。 準爆発兵器を減速するため、かつ、それの速度および弾道を制御するための落下傘を展開するエアバッグを示す図である。 推進剤粒子の配置構成、すなわち、図６Ａは定面燃焼、図６Ｂは増面燃焼、図６Ｃは均一燃焼を示す図である。 様々な温度における燃焼速度対圧力の対数プロットを示す図である。 代表的な点火系列を示す図である。 様々な点火システムを示す図である。 様々な点火システムを示す図である。 様々な点火システムを示す図である。 様々な点火システムを示す図である。 様々な点火システムを示す図である。 様々な点火システムを示す図である。 電気的に操作される点火装置を示す図である。 推進剤の粒子面に切り込まれた異なった構成に対する点火の開始を示す図である。

Claims (38)

1. 少なくとも２つの燃焼室を含み、各前記燃焼室は異なった時刻に、かつ、異なった体積速度で自身からガスを放出することが可能であり、各前記燃焼室は同じ推進剤および開始装置を含むガス発生器。
2. 前記推進剤は重量で約（ａ）８４から９５％の酸化剤、（ｂ）３．４から１３．４％の燃料、および、（ｃ）１．５から２．６％のバインダを含み、前記推進剤の燃焼の生成物は非有毒ガスである請求項１に記載のガス発生器。
3. 前記燃料は、ＣＬ−２０、ＲＤＸ、ＨＭＸ、ＧＡＰ、ＮＧＵ、ＴＡＴＢ、ＬＬＭ−１０５、ＥＤＮＡ、および、これらの混合物からなる群から選択される請求項２に記載のガス発生器。
4. 前記バインダは、ＰＣＬ、ＰＩＢ、ＧＡＰ、ポリビニルピロリドン、および、これらの混合物からなる群から選択される請求項２に記載のガス発生器。
5. 前記酸化剤は硝酸アンモニウムである請求項２に記載のガス発生器。
6. 前記酸化剤は硝酸アンモニウムであり、前記燃料はＣＬ−２０であり、かつ、前記バインダはポリカプロラクトンである請求項２に記載のガス発生器。
7. 前記推進剤に対して前記硝酸アンモニウムは約８９．５％を構成し、前記ＣＬ−２０は約８．４％を構成し、かつ、前記ポリカプロラクトンは約２．１％を構成する請求項６に記載のガス発生器。
8. 前記推進剤の幾何学的形状は燃焼室ごとに異なっている請求項１に記載のガス発生器。
9. 前記推進剤は重量で約７０から９５％の高エネルギー・ニトロアミン燃料、５から２５％の高エネルギー・ポリマー・バインダ、および、０．１から５％の閃光抑制剤を含む請求項１に記載のガス発生器。
10. 前記ニトロアミン燃料はＣＬ−２０である請求項９に記載のガス発生器。
11. 前記ポリマー・バインダはＧＡＰまたはＰＩＢである請求項９に記載のガス発生器。
12. 前記閃光抑制剤は硝酸カリウムである請求項９に記載のガス発生器。
13. 安定性を制御するための成分、弾道の突出部および初期圧力の激しい上昇を制御するためのコーティング、ならびに、重力密度を増加させ、かつ、静電気を放散させるための成分からなる群から選択される１つまたは複数の成分をさらに含む請求項９に記載のガス発生器。
14. ２つの燃焼室を含み、前記燃焼室の第１の燃焼室からの時間に応じた圧力の変化は前記燃焼室の第２の燃焼室からの時間に応じた圧力の変化の少なくとも２倍大きい請求項９に記載のガス発生器。
15. 前記推進剤は、
    （ａ）湿潤または乾燥した形態の前記推進剤の成分の混合物を作成する工程と、
    （ｂ）前記混合物をタブレット、ディスク、または、顆粒に成形する工程と、
    （ｃ）もし湿潤していれば、前記タブレット、ディスク、または、タブレットが乾燥することを可能にする工程と、
    （ｄ）所望の幾何学低形状を達成するために前記タブレット、ディスク、または、タブレットに孔空けを行なう工程と、を含む処理により作成される請求項９に記載のガス発生器。
16. 前記推進剤は理論的密度の約９２％以上の密度を有する請求項９に記載のガス発生器。
17. 安定性を制御するための前記成分はエチルセントラライト、Ａｋａｒｄｉｔｅ Ｉ、Ａｋａｒｄｉｔｅ ＩＩ、ジフェニルアミン、または、２−ニトロジフェニルアミンからなる群から選択される請求項１３に記載のガス発生器。
18. 前記弾道の突出部および初期圧力の上昇を制御するための前記成分は、エチレングリコールジメタクリル酸エステル、ジエチレングリコールジメタクリル酸エステル、アリルメタクリル酸エステル、または、Ｈｅｒｃｏｔｅポリエステルからなる群から選択される請求項１３に記載のガス発生器。
19. 重力密度を増加させ、かつ、静電気を放散させるための成分は黒鉛である請求項１３に記載のガス発生器。
20. 前記燃焼室の各々から放出されたガスを受け取るように動作可能なエアバッグをさらに含む請求項１に記載のガス発生器。
21. 前記エアバッグはコーティングされていないエアバッグである請求項２０に記載のガス発生器。
22. 前記燃焼室の各々の動作のきっかけとなるための信号を生成するように動作可能な慣性スイッチをさらに含む請求項２０に記載のガス発生器。
23. 前記慣性スイッチは微小電子機械的システム（ＭＥＭＳ）加速度計である請求項２２に記載のガス発生器。
24. 第３の燃焼室をさらに含む請求項１に記載のガス発生器。
25. 前記推進剤の燃焼の生成物は水、窒素、および、二酸化炭素を含む請求項１に記載のガス発生器。
26. エアバッグの膨張の速度を制御するための工程であって、
    （ａ）前記エアバッグに対して請求項１によるガス発生器を接続する工程と、
    （ｂ）前記燃焼室の各々に異なった所定の時刻において放出させる工程と、
    （ｃ）前記燃焼室の各々の排出物に前記エアバッグ内に流れ込ませる工程と、を含む工程。
27. 車両の衝突に応じて前記ガス発生器を起動する工程をさらに含み、前記ガス発生器およびエアバッグは車両内に定置されている請求項２６に記載の工程。
28. トリガ信号に応じて前記ガス発生器を起動し、かつ、兵器から１つまたは複数の準爆発兵器を射出する工程をさらに含み、前記ガス発生器およびエアバッグは前記兵器に接続されている請求項２６に記載の工程。
29. 前記兵器を発砲する工程をさらに含む請求項２８に記載の工程。
30. 準爆発兵器の弾道を制御する工程をさらに含む請求項２６に記載の工程。
31. 準爆発兵器の弾道を制御する前記工程は、
    （ａ）前記ガス発生器を起動する工程と、
    （ｂ）準爆発兵器上のパラシュートを展開するために前記ガス発生器からのガスを使用する工程と、を含み、前記展開は前記準爆発兵器の弾道を制御する請求項３０に記載の工程。
32. 兵器システムから小型、中型、および、大型の口径の弾丸を推進するために請求項９に記載のガス発生器を使用する工程であって、
    （ａ）前記兵器システムの銃身に前記ガス発生器を挿入する工程と、
    （ｂ）前記弾丸を挿入する工程と、
    （ｃ）前記ガス発生器を起動する工程と、
    （ｄ）前記弾丸を推進するために前記ガス発生器から発射されたガスを使用する工程と、を含む工程。
33. （ａ）重量で８４から９５％の酸化剤と、
    （ｂ）重量で３．４から１３．４％の燃料と、
    （ｃ）重量で１．５から２．６％のバインダと、を含み、前記推進剤の燃焼の生成物は非毒性のガスである生態系に優しいガス発生体推進剤。
34. 前記燃料はＣＬ−２０、ＲＤＸ、ＨＭＸ、ＧＡＰ、ＮＧＵ、ＴＡＴＢ、ＬＬＭ−１０５、ＥＤＮＡ、および、これらの混合物からなる群から選択される請求項３３に記載の生態系に優しいガス発生体推進剤。
35. 前記バインダはＰＣＬ、ＰＩＢ、ＧＡＰ、ポリビニルピロリドン、および、これらの混合物からなる群から選択される請求項３３に記載の生態系に優しいガス発生体推進剤。
36. 前記酸化剤は硝酸アンモニウムである請求項３３に記載の生態系に優しいガス発生体推進剤。
37. 前記酸化剤は硝酸アンモニウムであり、前記燃料はＣＬ−２０であり、かつ、前記バインダはポリカプロラクトンである請求項３３に記載の生態系に優しいガス発生体推進剤。
38. 前記硝酸アンモニウムは前記推進剤の約８９．５％を成し、前記ＣＬ−２０は約８．４％を成し、かつ、前記ポリカプロラクトンは約２．１％を成す請求項３７に記載の生態系に優しいガス発生体推進剤。
    

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