JP2007023135A - 液体酸化剤、これを用いた推進薬及び高温ガス発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 毒性が低く取り扱いが容易であり防護服等の必要性を無くすことができ、触媒なしで自燃せず、逆火のおそれがなく安全性が高く、燃焼速度を抑えることができ、使用時に適正圧力で安定維持でき、緊急停止の可能性と触媒のダメージが少なく、かつ従来品に匹敵する性能を有する液体酸化剤、これを用いた推進薬及び高温ガス発生方法を提供する。
【解決手段】 ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）及びヒドラジニウムナイトレート（ＨＮ）を水（Ｈ_２Ｏ）に溶解し、さらに１０重量％以下の燃料成分を含む液体酸化剤。また、液体酸化剤と、固体燃料又は液体燃料を別々に保管し、使用直前に混合又は接触させて着火し高温ガスを発生させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体推進薬およびハイブリッド推進薬に用いられる安全性の高い液体酸化剤、これを用いた推進薬及び高温ガス発生方法に関する。

従来の液体酸化剤は液体酸素（ＬＯ_２）、四酸化ニ窒素（Ｎ_２Ｏ_４）、ＨＡＮ水溶液等が用いられている。
また、本出願において、「爆ごう性」とは、燃焼速度が非常に高く（例えば約４５０ｍｍ／ｓ）、雷管起爆試験において、鋼管が破裂するほど、使用時に急激な圧力上昇を引き起こす反応性を意味する。

モノプロペラント（１液推進薬）は、１液のみで機能を果たす推進剤であり、［非特許文献１］［特許文献１］［特許文献２］等に開示されている。また、液体推進薬およびハイブリッド推進薬に用いられる液体酸化剤は、［特許文献３］［特許文献４］等に開示されている。

［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。

［特許文献２］のＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントは、ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）、ヒドラジニウムナイトレート（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。

［特許文献３］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。

［特許文献４］の「ＯＸＩＤＩＺＩＮＧ ＡＧＥＮＴ」は、５〜３０重量％のアンモニウムナイトレート（ＡＮ）、６０〜８５重量％のヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）及び１０〜２５重量％の水（Ｈ_２Ｏ）の水溶液からなる液体酸化剤である。

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

特開平１１−２２５５５号公報、「一液推進方法および一液推進装置」 特開２００４−３３１４２５号公報、「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」 特開２００２−２０１９１号公報、「液体酸化剤及びハイブリッド推進薬」 米国発明登録第Ｈ１７６８号公報、“ＯＸＩＤＩＺＩＮＧ ＡＧＥＮＴ“

［非特許文献１］に開示されているように、モノプロペラント（１液推進薬）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ている。

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。

また、従来の液体酸化剤のうち、ＬＯ_２は、極低温保持及び断熱機構が必要であり、Ｎ_２Ｏ_４は猛毒でヒドラジン並の防護服が必要であり、ＨＡＮ水溶液は燃焼速度が速く、爆ごう、逆火の危険性がある。

一方、ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）と水（Ｈ_２Ｏ）、アンモニウムナイトレート（ＡＮ）等を混合した液体酸化剤（以下、「ＨＡＮベース液体酸化剤」という）も既に知られている。

しかし、ＨＡＮベース液体酸化剤は、燃焼速度が非常に高く（例えば約４５０ｍｍ／ｓ）、いわゆる爆ごう性があるため、使用時に急激な圧力上昇を引き起こし、緊急停止や触媒へダメージを与えることがあった。また、一旦着火すると触媒なしに燃焼を継続しかつ燃焼速度が非常に速いので、酸化剤タンクまで一瞬で逆火することがあった。

本発明は、上述した従来の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、（１）毒性が低く取り扱いが容易であり防護服等の必要性を無くすことができ、（２）触媒なしで自燃せず、これにより逆火のおそれがなく安全性が高く、（３）燃焼速度を抑えることができ、使用時に適正圧力で安定維持でき、これにより緊急停止の可能性と触媒のダメージが少なく、かつ（４）従来品に匹敵する性能を有する液体酸化剤、これを用いた推進薬及び高温ガス発生方法を提供することにある。

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）及びヒドラジニウムナイトレート（ＨＮ）を水（Ｈ_２Ｏ）に溶解し、さらに１０重量％以下の燃料成分を含む、ことを特徴とする液体酸化剤が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、ＨＡＮの含有量が４０〜６０重量％であり、ＨＮの含有量が２０〜３０重量％であり、残余が水（Ｈ_２Ｏ）と燃料成分である。
さらに前記燃料成分は、トリエタノールアンモニウムナイトレート（ＴＥＡＮ）又はグリシンである、ことが好ましい。

また、本発明によれば、上述した液体酸化剤と固体燃料又は液体燃料からなる、ことを特徴とする推進薬が提供される。

前記液体燃料は、炭化水素系燃料であり、前記固体燃料は、ＨＴＰＢ又はＧＡＰバインダである、ことが好ましい。
前記推進薬は、ハイブリッドロケット推進薬又は２液推進薬である、ことが好ましい。

また、本発明によれば、上述した液体酸化剤と、固体燃料又は液体燃料を別々に保管し、使用直前に混合又は接触させて着火し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。

上述した本発明の液体酸化剤は、低毒性で、取り扱いが容易であり防護服等の必要性を無くすことができる。
また、この液体酸化剤と固体燃料又は液体燃料からなる推進薬も、燃焼速度を抑えることができ、使用時に適正圧力で安定維持でき、これにより緊急停止の可能性と触媒のダメージが少ない。
さらに、本発明の構成では、液体酸化剤が、ＨＡＮとＨＮの両成分を含むため、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、本発明の高温ガス発生方法では、液体酸化剤と、液体燃料を別々に保管するので、それぞれ単独では自燃せず、仮に着火しても逆火しないので安全性が高い。
さらに、ＨＡＮとＨＮの両成分を含む液体酸化剤は応答性がよく、触媒に直接噴霧する場合も、液体燃料と組み合わせて２液推進薬として用いる場合も、ハイブリッドロケットの液体酸化剤として使用する場合も、高い応答性が期待できる。

上述したように、本発明の液体酸化剤、これを用いた推進薬及び高温ガス発生方法は、（１）毒性が低く取り扱いが容易であり防護服等の必要性を無くすことができ、（２）触媒なしで自燃せず、これにより逆火のおそれがなく安全性が高く、（３）燃焼速度を抑えることができ、使用時に適正圧力で安定維持でき、これにより緊急停止の可能性と触媒のダメージが少なく、かつ（４）従来品に匹敵する性能を有する、等の優れた効果を有する。

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、各図において共通部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

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は液体酸化剤、２、１２は加圧ガスタンク、４は原液タンク、６ａ，６ｂは電磁弁、７ａ，７ｂ，１７ａ，１７ｂは手動開閉弁、８はリアクタ、１１は液体燃料、１４は液体燃料タンク、１５は混合タンク、Ｐは圧力計測器、Ｔは温度計測器である。

加圧ガスタンク２、１２は、液体酸化剤１及び液体燃料１１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、１７ａを介してタンク４、１４内の液体酸化剤１又は液体燃料１１を加圧し、手動開閉弁７ｂ、１７ｂを介して混合タンク１５へ液体酸化剤１及び液体燃料１１を供給し、両者が混合された２液推進薬１３を形成する。
形成された２液推進薬１３は、加圧ガスタンク２、１２の圧力により電磁弁６ａ，６ｂへ加圧して供給される。

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、両方を同時に開く連続モードと、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。

リアクタ８は、図示しない着火方法により、２液推進薬１３を反応／分解させ高温ガスを発生させる。

液体酸化剤１は、ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）及びヒドラジニウムナイトレート（ＨＮ）を水（Ｈ_２Ｏ）に溶解し、さらに１０重量％以下の燃料成分を含む。
この液体酸化剤１の組成は、ＨＡＮの含有量が４０〜６０重量％であり、ＨＮの含有量が２０〜３０重量％であり、さらに水（Ｈ_２Ｏ）と燃料成分を含む。
前記燃料成分は、１重量％以上、１０重量％未満のトリエタノールアンモニウムナイトレート（ＴＥＡＮ）又はグリシンである。またその他の燃料成分を含んでもよい。また、性能のトレードオフにより、組成を変更することができる。
従って、１液、２液のタンクを共用できるメリットがある。

また、液体燃料１１は、炭化水素系燃料等であり、前記固体燃料は、ＨＴＰＢ又はＧＡＰバインダ等である。

着火方法として触媒を用いる場合は、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。

図２は、本発明の方法に用いるハイブリッドロケットの一例を示す構成図である。この図に示すように、ハイブリッドロケットは、酸化剤タンクと固体燃料を備える。なお、ハイブリッドロケットの代わりに、２液式の液体ロケットエンジンを用いてもよい。

上述した装置を用い、本発明の方法では、ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）及びヒドラジニウムナイトレート（ＨＮ）を水（Ｈ_２Ｏ）に溶解した水溶液からなる液体酸化剤と、固体燃料又は液体燃料を別々に保管し、使用直前に混合又は接触させて着火し高温ガスを発生させる。
この方法により、液体酸化剤と、液体燃料を別々に保管し、使用直前に混合又は接触させて着火し高温ガスを発生させるので、それぞれ単独では自燃せず、仮に着火しても逆火しないので安全性が高い。

（液体酸化剤の爆ごう性試験）
燃料成分を含まない液体酸化剤であっても、ＨＮの添加割合によっては爆ごう性があり得る。
この実施例では、液体酸化剤１として、表１に示す４種（Ｎｏ．１、２、３、４）を準備し、これを雷管起爆試験として知られる爆ごう性試験を実施した。このうち、Ｎｏ．４が本発明の液体酸化剤である。
雷管起爆試験は、液体酸化剤１を所定の鋼管内に充填して両端を密閉し、内部の液体に電気加熱線によって着火し、鋼管が破裂するか否かで爆ごう性の有無を試験した。この結果、３回の試験すべてにおいて、Ｎｏ．１、２は破裂せず、爆ごう性がなく安全であるが（表で○）、Ｎｏ．３は必ず破裂して爆ごう性があり安全性が低い（表で×）ことが確認された。

また、液体酸化剤（Ｎｏ．４）も、ＨＡＮ：ＨＮ＝２：１では破裂せず、爆ごう性がなく安全である（表で○）ことが確認された。

（スラスタ試験）
上述した４種（Ｎｏ．１、２、３、４）の液体酸化剤１について、触媒ありの条件で、スラスタ試験を実施した。スラスタ試験では、触媒反応による立ち上がり時の応答時間（ｓｅｃ）と安定性を試験した。その結果を表２に示す。
この結果から、ＨＮを加えても応答性には影響なしということがわかった。

（自燃性試験）
上述した３種（Ｎｏ．１、２、４）の液体酸化剤１について、触媒なしの条件で、自燃性、燃焼速度、圧力指数、着火限界圧力を計測した。燃焼速度は４ＭＰａの圧力下で計測した。また、圧力指数は、着火限界から４ＭＰａの圧力までで計測した。

表３はこの試験の結果をまとめたものである。この結果から、本発明のＨＡＮ／ＨＮにＴＥＡＮ又はＧＬＹＣＩＮＥ等の若干の燃料成分を加えたもの（Ｎｏ．４）は、自燃性が全くなく、タンクから燃焼室に至るまでの配管（推薬導管）において、従来のようにタンクまで逆火するおそれがないことがわかる。
すなわち、スラスタ性能として重要な応答時間がほぼ同等であるにもかかわらず、運用中に急激な熱や圧力が作用した場合でも、着火して逆火するおそれがなく、安全性が高いことがわかる。
しかし、触媒があれば、高い応答性を示すことから、触媒に限らず他の適性な着火方法又はこれらと触媒との併用で酸化剤としての高い性能が得られると予想される。

表４は、上述した試験結果をまとめたものである。この表では、従来のヒドラジン及びＨＡＮベースモノプロペラントと本発明によるＨＡＮ／ＨＮベース液体酸化剤（燃料成分を若干含むＨＡＮ／ＨＮ酸化剤）を総合的に比較している。
この表から、本発明によるＨＡＮ／ＨＮベース液体酸化剤は、毒性、爆ごう性、自燃性がなく、スラスタ性能（安定性と応答性）が高いことがわかる。
特に、本発明の液体酸化剤は、爆ごう性、自燃性が非常に低く、安全性に特に優れている。またこれに液体燃料を加えたモノプロペラントは、爆ごう性、自燃性がないままで、スラスタ性能（安定性と応答性）が特に優れていることがわかる。

表５は、様々な液体酸化剤を用いた場合の液体ロケット用の予測性能である。このうち、左から４つまでは従来例、残りの１つ（５番目）は本発明の液体酸化剤である。
この表から、ＬＯ_２液体酸素は、性能は高いが、極低温保管の必要有り、ＨＡＮ／ＨＮ酸化剤は、従来のＨＡＮ／ＡＮ酸化剤より性能が向上するが、自燃性があり（表３参照）、ＨＡＮ／ＨＮベース酸化剤（本発明）は性能は２割減となるが、自燃性が全くなく安全であるというメリットがある（表３参照）。

表６は、様々な液体酸化剤を用いた場合のハイブリッドロケットの予測性能である。このうち、左から５つまでは従来例、残りの１つ（６番目）は本発明の液体酸化剤である。
この表から、本発明の液体酸化剤をハイブリッドで使用した場合は、例えば、ＨＡＮ／ＨＮ酸化剤より性能は１割減となるが、上述のように安全である。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、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。

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。 本発明の方法に用いるスラスタの一例を示す構成図である。

符号の説明

１ 液体酸化剤、
２、１２ 加圧ガスタンク、４ 原液タンク、
６ａ，６ｂ 電磁弁、７ａ，７ｂ，１７ａ，１７ｂ 手動開閉弁、
８ リアクタ、１１ 液体燃料、１４ 液体燃料タンク、１５ 混合タンク

Claims (7)

1. ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）及びヒドラジニウムナイトレート（ＨＮ）を水（Ｈ_２Ｏ）に溶解し、さらに１０重量％以下の燃料成分を含む、ことを特徴とする液体酸化剤。
2. ＨＡＮの含有量が４０〜６０重量％であり、ＨＮの含有量が２０〜３０重量％であり、残余が水（Ｈ_２Ｏ）と燃料成分である、ことを特徴とする請求項１に記載の液体酸化剤。
3. 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）又はグリシンである、ことを特徴とする請求項１に記載の液体酸化剤。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の液体酸化剤と固体燃料又は液体燃料からなる、ことを特徴とする推進薬。
5. 前記液体燃料は、炭化水素系燃料であり、前記固体燃料は、ＨＴＰＢ又はＧＡＰバインダである、ことを特徴とする請求項４に記載の推進薬。
6. 前記推進薬は、ハイブリッドロケット推進薬又は２液推進薬である、ことを特徴とする請求項４又は５に記載の推進薬。
7. 請求項１乃至３のいずれかに記載の液体酸化剤と、固体燃料又は液体燃料を別々に保管し、使用直前に混合又は接触させて着火し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。
   

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