JP2006044975A

JP2006044975A - 固体推進薬

Info

Publication number: JP2006044975A
Application number: JP2004226873A
Authority: JP
Inventors: Aporo Fukuchi; 亜宝郎福地; Hiroaki Iwata; 洋昭岩田
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2004-08-03
Filing date: 2004-08-03
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】
高圧下・高燃焼速度の燃焼条件下における燃焼安定性を改善した固体推進薬を提供すること。
【解決手段】
少なくともポリブタジエン系ポリマーと、燃焼速度調整剤と、酸化剤とを含む固体推進薬であって、当該酸化剤が複数の平均粒径を有する過塩素酸アンモニウムを含み、当該平均粒径の１つが５μｍ以下であることを特徴とする固体推進薬。

Description

本発明は、固体推進薬に関し、特に、高圧下における燃焼特性を改善した固体推進薬に関する。

固体推進薬は、構造が単純で部品点数が少なく、取扱いが比較的容易であること、推進薬を装填したまま長期保存が可能であること、及び、大きな初期加速度の推力が得られること等の特長を有しており、例えば、中規模人工衛星打上げ用ロケット或いは気象観測用ロケットなどに広く用いられている。固体推進薬としては、酸化剤と燃料成分（バインダー）を混合して得られるコンポジット系固体推進薬と、ニトログリセリン及びニトロセルロースを主成分とするダブルベース系固体推進薬とに大別される。コンポジット系固体推進薬は、例えば、特開平１１−２９２６７７号、特開平１１−１３８６号、特開平９−１４３２６１号、及び特開平７−３３５７８号に開示されており、一方、ダブルベース系固体推進薬は、例えば、特開平６−２４９０６９号に開示されている。

一般に、固体推進薬の性能においては、予め設定された速度で推進薬が安定に燃焼することが重要である。推進薬の燃焼速度が設定値よりも高い場合には、モーターケース内における圧力が増加し装置内に損傷や破損が生じる恐れがあり、一方、所望の燃焼速度に達しない場合には十分な推力が得られない。

飛翔体の進路変更や姿勢制御を行うサイドスラスタへの用途、特に、飛翔体のパルス制御用スラスタ等への用途においては、短時間で大きな推力が必要とされる。それゆえ、それらに用いられる固体推進薬には、数１０ミリ秒程度のわずかな時間内で非常に高い燃焼速度に達することができ、かつ、高圧燃焼条件においてもそのような燃焼速度を安定に維持できることが求められる。

しかしながら、従来の固体推進薬では、高圧下の燃焼条件においても十分に高い燃焼速度が得られず、しかも燃焼が不安定となるため、上記のような用途における要求を充足するものではなく、高圧条件下での更なる燃焼特性の向上が当該技術分野において望まれている。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、高圧・高燃焼速度の燃焼条件下における燃焼安定性を改善した固体推進薬を提供することを課題とするものである。

本発明者は、５μｍ以下の平均粒径及びそれとは異なる平均粒径を有し、且つそれらを適切な比率で配合した酸化剤を用いることにより、１００ＭＰａの高圧下においても高燃焼速度を安定に維持できるという知見を見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、少なくともポリブタジエン系ポリマーと、燃焼速度調整剤と、酸化剤とを含む固体推進薬であって、当該酸化剤が複数の平均粒径を有する過塩素酸アンモニウムを含み、当該平均粒径の１つが５μｍ以下であることを特徴とする固体推進薬に関する。

好ましい実施態様において、本発明は、少なくともポリブタジエン系ポリマーと、燃焼速度調整剤と、酸化剤とを含む固体推進薬であって、当該酸化剤が平均粒径１０乃至５０μｍの細粒及び平均粒径５μｍ以下の微細粒より成る過塩素酸アンモニウムを含むことを特徴とする固体推進薬に関する。

本発明の固体推進薬において用いられる酸化剤は、酸化能力等の観点から過塩素酸アンモニウムが好ましい。本発明に用いられる酸化剤成分の含有量は、当該技術分野において通常用いられている含有量を用いることができ、当業者であれば適宜決定できるものであるが、好ましくは推進剤全体に対して６０乃至８０重量％である。

本明細書において、“微細粒”という語は、５μｍ以下、好ましくは１乃至３μｍの平均粒径を有する酸化剤粒子を意味する。本明細書において、“細粒”という語は、１０乃至５０μｍ、好ましくは１０乃至３０μｍの平均粒径を有する酸化剤粒子を意味する。これらの平均粒径を有する酸化剤粒子は、当該技術分野における周知の粉砕技術等を用いて製造することができ、又は商業的に入手可能なものである。

本発明の固体推進薬に用いられる酸化剤における細粒対微細粒の重量比は、好ましくは５０：５０乃至８５：１５、より好ましくは６０：４０乃至７０：３０である。また、本発明の目的を満たす限り、当該細粒及び微細粒が有する平均粒径以外の平均粒径を有するものも、本発明に用いられる酸化剤成分中に含まれていてもよい。

本発明の固体推進薬には、用いられる用途に応じて、硝酸アンモニウム、過塩素酸ニトロニウム、過塩素酸カリウム、シクロトリメチレントリニトラミン、シクロテトラメチレンテトラニトラミン、及びそれらの混合物等のような当該技術分野において公知のその他の酸化剤を付加的に含むこともできる。

本明細書において、“燃焼速度調整剤”という語は、当該技術分野において、一般に、燃焼速度の向上のために推進薬へ添加される金属化合物を意味する。本発明の固体推進薬において用いられる燃焼速度調整剤は、鉄化合物、好ましくはフェロセン又はフェロセン誘導体である。好ましいフェロセン誘導体の例は、２，２−ビス（エチルフェロセニル）プロパン、アミルフェロセン、ｎ−ブチルフェロセンである（ただし、これらに限定されるものではない）。本発明の固体推進薬における燃焼速度調整剤の含有量は、用いられる用途において所望される燃焼速度に応じて、適宜決定することができる。

本発明の固体推進薬において用いられるバインダー成分（燃料成分）は、任意の炭化水素高分子又はゴム質材料の中から適宜選択して用いることができ、それらには、例えば、ポリブタジエン系ポリマー、ポリエステル、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、グリシジルアジ化ポリマーポリマー等が含まれる。本発明において用いられるバインダー成分は、好ましくはポリブタジエン系ポリマーであり、特に、末端水酸基ポリブタジエン（ＨＴＰＢ）又は末端カルボキシル基ポリブタジエン（ＣＴＰＢ）が好ましい。当該バインダー成分の配合比は、当該技術分野において通常用いられている配合比を用いることができ、当業者であれば適宜決定できるものである。

また、本発明の固体推進薬には、その他の添加剤として、助燃剤、硬化剤、架橋剤、可塑剤、結合剤（ボンディングエージェント）、安定化剤等を必要に応じて任意に用いることができる。助燃剤の非限定的な例には、アルミニウム、マグネシウム、ジルコニウム等の金属粉末が含まれ得る。バインダーの硬化剤は、当該技術分野において通常用いられる硬化剤であることができ、例えば、イソホロンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート等である。

本発明は、５μｍ以下の平均粒径及びそれとは異なる平均粒径を有し、且つそれらを適切な比率で配合した酸化剤を用いることにより、従来の固体推進薬では得ることができなかった、高圧下において高燃焼速度を安定に維持できるという効果を有する。例えば、本発明の固体推進薬によれば、１００ＭＰａの高圧条件下において、数１０ミリ秒程度のわずかな時間内に１００ｍｍ／ｓの非常に高い燃焼速度を高い安定性で達成できる。従って、本発明の固体推進薬は、短時間で大きな推力が必要とされるサイドスラスタの用途、特に、飛翔体のパルス制御用スラスタ等への用途に適している。

本発明の推進薬は、当該技術分野において通常のコンポジット系固体推進薬に用いられている製造方法を用いて製造することができる。例えば、バインダー成分に硬化剤等のその他の添加剤を必要量加え混合する。次いで、燃焼推進薬及び酸化剤を添加し更に混合する。その後、６０℃で７日間程度加熱保持し、硬化を行う。

以下の実施例により、本発明を更に説明する。

上記の製造方法に従って本発明の固体推進薬を調製し、燃焼圧力に対する燃焼速度の変化の挙動を測定した。

試料調製
ＨＴＰＢ、過塩素酸アンモニウム、及びアルミニウム粉末を、１４：６８：１８の重量比で含む固体推進薬を調製した。ここで、当該過塩素酸アンモニウムは、平均粒径１０乃至３０μｍの細粒及び平均粒径１乃至３μｍの微細粒から構成される粉末状であり、その重量比は６０：４０である。用いた燃焼速度調整剤は、２，２−ビス（エチルフェロセニル）プロパンである。

得られた固体推進薬から、４０ｍｍ×３０ｍｍ×２０ｍｍの直方体を切りだし、４０ｍｍ×３０ｍｍの燃焼面以外の側面を断熱材（インシュレーション）でコーティングして、測定用試料（グレイン）を得た。

燃焼試験
得られたグレインを直径約５０ｍｍのノズル付きモーターケースに入れ、４０ｍｍ×３０ｍｍの面を燃焼面として燃焼させた。燃焼時間に対する燃焼圧力の経時変化を図１に示す。図１のデータを解析し、経時的に変化する燃焼速度を算出した。得られた燃焼速度を燃焼圧力に対してプロットしたものが図２である。当該結果から、わずか０．２秒の短時間に高圧下で１００ｍｍ／ｓを超える高燃焼速度を得ることができ、さらにそのような高圧・高燃焼速度領域においても、燃焼速度のプロットのバラツキが少なく安定して燃焼していることがわかる。

図１は、本発明の固体推進薬についての燃焼試験における、燃焼圧力の経時変化を示すグラフである。図２は、本発明の固体推進薬についての燃焼試験で得られた燃焼速度を燃焼圧力に対してプロットしたグラフである。

Claims

少なくともポリブタジエン系ポリマーと、燃焼速度調整剤と、酸化剤とを含む固体推進薬であって、当該酸化剤が複数の平均粒径を有する過塩素酸アンモニウムを含み、当該平均粒径の１つが５μｍ以下であることを特徴とする固体推進薬。
前記酸化剤が、平均粒径１０乃至５０μｍの細粒及び平均粒径５μｍ以下の微細粒より成る過塩素酸アンモニウムを含む、請求項１に記載の固体推進薬。
前記細粒の平均粒径が１０乃至３０μｍである、請求項２に記載の固体推進薬。
前記微細粒の平均粒径が１乃至３μｍである、請求項２又は３に記載の固体推進薬。
前記過塩素酸アンモニウムにおける細粒対微細粒の重量比が、５０：５０乃至８５：１５である、請求項２乃至４のいずれか１に記載の固体推進薬。
前記過塩素酸アンモニウムにおける細粒対微細粒の重量比が、６０：４０乃至７０：３０である、請求項２乃至５のいずれか１に記載の固体推進薬。
前記燃焼速度調整剤がフェロセン又はフェロセン誘導体である、請求項１乃至６のいずれか１に記載の固体推進薬。
前記燃焼速度調整剤が、フェロセン、２，２−ビス（エチルフェロセニル）プロパン、アミルフェロセン、ｎ−ブチルフェロセンよりなる群から選択される、請求項１乃至７のいずれか１に記載の固体推進薬。