JP2007137707A

JP2007137707A - 燃焼安定化推進薬

Info

Publication number: JP2007137707A
Application number: JP2005332608A
Authority: JP
Inventors: Arata Matsuura; 新松浦; Shigefumi Miyazaki; 繁文宮崎; Motoyasu Kimura; 元康木村
Original assignee: NOF Corp; IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: NOF Corp; IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2007-06-07

Abstract

【課題】
低燃焼速度領域における圧力指数を低下させることができ、安定な燃焼速度が得られる固体推進薬を提供すること。
【解決手段】
燃焼速度調整剤として鉄酸化物を含み、少なくともポリブタジエン系ポリマーと、過塩素酸アンモニウムと、結合剤とを含む固体推進薬であって、当該結合剤がアジリジン類であり、及び当該燃焼速度調整剤の含有率が推進薬全体に対して０．２重量％以下であることを特徴とする燃焼安定化推進薬。
【選択図】なし

Description

本発明は、結合剤としてアジリジン類を用いることにより、低燃焼速度領域における燃焼安定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には、一般に、上記酸化剤とバインダーに加えて、推進薬の物性向上を目的として結合剤が添加される。当該結合剤は、酸化剤とバインダーの結合剤として機能する。そのような結合剤として、アミン類が使用されており、例えば、テパン（テトラエチレンペンタミン−アクリロニトリルの反応物）、及びテパノール（テトラエチレンペンタミン−アクリロニトリルグリシドールの反応物）等が使用されていた。

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燃焼することが非常に重要であり、そのため、従来は、推進薬に燃焼速度調整剤を添加してその燃焼速度を制御していた。例えば、燃焼速度調整剤として２ａ族金属塩を含むダブルベース系固体推進薬が知られている(例えば特許文献1参照)。

一般に、燃焼速度ｒ_ｂは、以下の式（１）
ｒ_ｂ＝ａＰ^ｎ −（１）
で表わされることが経験的に知られている（ここで、ａは定数、Ｐは燃焼圧力、ｎは圧力指数である）。この式は、圧力指数ｎが大きい場合には、わずかな圧力Ｐの上昇によって燃焼速度ｒ_ｂが指数関数的に大きく増大することを意味する。すなわち、推進薬にクラックが発生する等の異常が偶発的に生じ、ロケットモーター内の圧力が設定値から変動すると、燃焼速度調整剤を含む推進薬を用いた場合であっても、燃焼速度が所望の値とは大きく異なったものとなってしまう。さらには、燃焼速度の急激な増加によって爆発に至るというおそれも生じる。従って、これを避け、燃焼速度を制御して安定な燃焼を得るためには、より小さな圧力指数を有する推進薬を用いることが望まれる。

しかしながら、低い燃焼速度が所望される用途においては、燃焼速度を下げるために従来のように上記燃焼速度調整剤の添加量を少なくしていっても、圧力指数が低下せず、推進薬の燃焼が不安定になるという問題が生じていた。
特開平６−２４９０６９号公報(第2頁)

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、低燃焼速度領域における圧力指数を低下させることができ、安定な燃焼速度が得られる固体推進薬を提供することを課題とするものである。

本発明者らは、結合剤として、従来から使用されてきたアミン類に替えてアジリジン類を用いることにより、燃焼速度調整剤の添加量を少なくして推進薬の燃焼速度を低くした場合であっても、圧力指数を適切な値まで低下させることが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、燃焼速度調整剤として鉄酸化物、好ましくは三酸化二鉄を含み、少なくともポリブタジエン系ポリマーと、過塩素酸アンモニウムと、結合剤とを含む固体推進薬であって、当該結合剤がアジリジン類、好ましくはトリス1 (2−メチルアジリジニル)ホスフィンオキサイドであり、及び当該燃焼速度調整剤の含有率が推進薬全体に対して０．２重量％以下、好ましくは０．１重量％であることを特徴とする燃焼安定化推進薬に関する。

本発明の固体推進薬は、燃焼速度調整剤の添加量を少なくして推進薬の燃焼速度を低くした場合であっても、圧力指数を適切な値まで低下させることができ、低燃焼速度領域における燃焼安定性を改善することができる。

本明細書において、“アジリジン類”という語には、アジリジン類及びそれらを含む混合物が含まれる。好ましいアジリジン類は、リン含有アジリジン類であり、例えば、トリス１（２−メチルアジリジニル）ホスフィンオキサイド（ＭＡＰＯ）、ＭＴ−４などである。本発明の固体推進薬において用いられるアジリジン類の量は、粘結剤全体に対して好ましくは０．１乃至０．３重量％である。

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添加される金属化合物を意味する。当該燃焼速度調整剤は、鉄化合物、好ましくは鉄酸化物であり、例えば、三酸化二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、四三酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）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いて用いられる燃焼速度調整剤の含有量は、推進薬全体に対して０．２重量％以下、好ましくは０．１重量％以下であり、より好ましくは０．０５重量％以下である。

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。

本発明の固体推進薬において用いられる酸化剤成分は、例えば、過塩素酸アンモニウム、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から選択することができ、好ましくは過塩素酸アンモニウムである。当該酸化剤成分の配合比は、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、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、結合剤としてアジリジン類を用いることにより、低燃焼速度領域における圧力指数を適切な値まで低下させることができ、従来の結合剤を用いた場合と比べて優れた燃焼安定性を実現できるという効果を有する。例えば、本発明の固体推進薬を用いることにより、圧力８．８ＭＰａにおいて約９ｍｍ／ｓの燃焼速度における圧力指数を０．４以下、好ましくは０．３５以下に抑えることができる。

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、燃焼速度調整剤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。

燃焼速度調整剤に依存した燃焼速度及び圧力指数を測定するために、上記の製造方法に従って本発明の固体推進薬、及び比較例としてアミン類を用いる固体推進薬を調製した。

本発明の固体推進薬
結合剤としてトリス１（２−メチルアジリジニル）ホスフィンオキサイドを粘結剤全体の０．１５重量％含み、三酸化二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）の含有量を０乃至０．２０重量％の範囲で変化させた種々の固体推進薬を調製した。ここで、当該推進薬におけるＨＴＰＢ：過塩素酸アンモニウム：アルミニウム粉末の重量比は、いずれも１４：６８：１８で一定である。

比較例のための固体推進薬
結合剤としてテパン(テトラエチレンペンタミンーアクリロニトリルの反応物)を推進薬全体の２重量％含むこと以外は、上記本発明の固体推進薬と同じ組成の固体推進薬を調製した。

φ８０モータ試験
各種推進薬について、以下の方法によりφ８０モータ試験を行い、燃焼速度及び圧力指数を求めた。

上記固体推進薬をノズルを設けたφ８０モータの中に入れ、これを燃焼させ、モータ内部の圧力を測定した。全燃焼時間は約2秒間であり、平均燃焼圧力は8.8 Mpaであった。

得られた圧力線図から所定の時間間隔をおいて燃焼速度及び圧力指数を算出した。

得られた各種推進薬の燃焼速度をＦｅ_２Ｏ_３添加量に対してプロットしたものを図１に示す（圧力は８．８ＭＰａである）。さらに、これらの燃焼速度から前記式（１）により算出した圧力指数を図２に示す。

図１及び図２から、アミン類であるテパンを用いた固体推進薬の場合には、Ｆｅ_２Ｏ_３添加量が小さくなり燃焼速度が低下しても圧力指数は（多少ばらつきはあるが）ほとんど変化しないことがわかる。それに対し、アジリジン類を用いた本発明の固体推進薬の場合は、Ｆｅ_２Ｏ_３添加量の減少によって上記テパンを用いた場合よりも燃焼速度の減少が著しいにもかかわらず、それに伴って圧力指数も減少することがわかる。

また、同一のＦｅ_２Ｏ_３添加量における値について比較すると、本発明の固体推進薬は、テパンを用いた場合に比べて燃焼速度が低いにもかかわらず、平均的に０．１以上も低い圧力指数が得られている。この差は、特に、Ｆｅ_２Ｏ_３添加量が０．２以下において顕著である。

これらの結果は、本発明の固体推進薬では、燃焼速度調整剤の添加量を少なくして推進薬の燃焼速度を低くした場合であっても、圧力指数が適切な値まで低下させることができ、低燃焼速度領域における燃焼安定性が得られることを示唆するものである。

図１は、本発明の固体推進薬及び比較例について、φ８０モータ試験により得られた燃焼速度をＦｅ_２Ｏ_３添加量に対してプロットしたものである。図２は、本発明の固体推進薬及び比較例について、図１の燃焼速度から算出した圧力指数をＦｅ_２Ｏ_３添加量に対してプロットしたものである。

Claims

燃焼速度調整剤として鉄酸化物を含み、少なくともポリブタジエン系ポリマーと、過塩素酸アンモニウムと、結合剤と、を含む固体推進薬であって、当該結合剤がアジリジン類であり、及び当該燃焼速度調整剤の含有率が推進薬全体に対して０．２重量％以下であることを特徴とする燃焼安定化推進薬。
前記結合剤がトリス１（２−メチルアジリジニル）ホスフィンオキサイドである、請求項１に記載の燃焼安定化推進薬。
前記燃焼速度調整剤が三酸化二鉄である、請求項１又は２に記載の燃焼安定化推進薬。
前記燃焼速度調整剤の含有量が推進薬全体に対して０．１重量％以下である、請求項１乃至３のいずれか１に記載の燃焼安定化推進薬。