JP2012046390A - スラスタ用推薬 - Google Patents

Abstract

【課題】爆轟性が低く、且つ、高い比推力を示すスラスタ用推薬を提供することを目的とする。
【解決手段】ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）とアンモニウムナイトレート（ＡＮ）とが、ＡＮ質量比が１０％以下で混合されたＨＡＮ／ＡＮ混合薬と、水と、メタノールと、を含み、前記ＨＡＮ／ＡＮ混合薬と前記水と前記メタノールとの合計質量に対して、前記ＨＡＮ／ＡＮ混合薬が６０質量％以上７６質量％以下で含有され、更に、前記メタノールが１６質量％以上３２質量％以下で含有され、更に、前記水が５質量％以上２４質量％以下で含有され、前記メタノールが２２質量％以下で含有される場合、前記水が６％以上で含有されるスラスタ用推薬。
【選択図】図４

Description

本発明は、ロケット姿勢制御装置や宇宙機姿勢制御装置などに用いられるスラスタに関するものである。

単一の液体推薬を触媒分解もしくは電気着火等で発生したガス、もしくは２種類の液体推薬を混合／反応させることで発生したガスによって推進力を生ずるスラスタは、小型エンジンの一種であり、主として人工衛星などの姿勢制御用や軌道変換用に使われる。
液体推薬として、ヒドラジン、四酸化二窒素などが多く用いられている。しかしながら、これらの推薬は人体に有毒であるため、スラスタへ推薬を供給する際などに防護服の装着とそのための空気供給設備、更に特定作業員が必要になるなど、取り扱い性が悪い。また、これらの推薬が漏洩した場合に危険であるなどの問題がある。このため、毒性の低い推薬（グリーンプロペラント）が求められている。

グリーンプロペラントとして、ＡＤＮ（Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｄｉｎｉｔｒａｍｉｄｅ、ＮＨ_４Ｎ（ＮＯ_２）_２）系や、ＨＡＮ（Ｈｙｄｒｏｘｙｌ Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｎｉｔｒａｔｅ、ＮＨ_３ＯＨＮＯ_３）系などの推薬の開発が行われている。
特許文献１に、推薬としてヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）／水（Ｈ_２Ｏ）／トリエタノールアンモニウムナイトレート（ＴＥＡＮ）の混合液を用いた一液推進方法が記載されている。特許文献２に、ＨＡＮ／ヒドラジニウムナイトレート（ＨＮ）／水／ＴＥＡＮを含む液体酸化剤が記載されている。

特開平１１−２２５５５号公報（請求項２、請求項３） 特開２００７−２３１３５号公報（請求項１、請求項３）

ＨＡＮ系の推薬は、反応制御が難しく、爆轟性が高い。「爆轟」とは、音速以上の速度で爆薬が急速燃焼し、かつ衝撃波を伴う爆発反応のことをいう。例えば、配管内に残留したＨＡＮ系推薬が熱により自己分解等を発生し、配管内で爆轟する場合がある。ＨＡＮ系の推薬の反応を制御する方法として、ＨＡＮに水を加えて反応性を低下させる方法があるが、水を加えることで比推力が低下してしまう。一方、水分比率を抑えると比推力は高くなるが、水分比率が低すぎると反応制御が難しくなる。そのため、実用化にこぎつけていないのが現状である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、爆轟性が低く、且つ、高い比推力を示すスラスタ用推薬を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）とアンモニウムナイトレート（ＡＮ）で混合されたＨＡＮ／ＡＮ混合薬（ＡＮ質量比率（ＡＮ質量／（ＨＡＮ＋ＡＮ）質量）は１０％以下）と、水と、メタノールと、を含み、前記ＨＡＮ／ＡＮ混合薬と前記水と前記メタノールとの合計質量に対して、前記ＨＡＮ／ＡＮ混合薬が６０質量％以上７６質量％以下で含有され、更に、前記メタノールが１６質量％以上３２質量％以下で含有され、更に、前記水が５質量％以上２４質量％以下で含有され、前記メタノールが２２質量％以下で含有される場合、前記水が６質量％以上で含有されるスラスタ用推薬を提供する。
ＨＡＮ／ＡＮ混合薬と水とメタノールとが、上記範囲で含有されることによって、ヒドラジンよりも比推力の高いスラスタ用推薬とすることができる。比推力とは、推薬の単位流量あたりの推力を示す用語である。比推力が高いと、少ない推薬で高い推力を得ることができる。ヒドラジンの理論比推力は２４０ｓとされる。また、上記範囲の推薬組成の場合、ヒドラジンよりも密度が大きく、且つ、爆轟性の低い、より安全な推薬となる。

本発明によれば、主成分となるＨＡＮ／ＡＮ混合薬は、ヒドラジンよりも毒性が低いため、ヒドラジンと比較して取扱いが容易となる。ＨＡＮとＡＮとは、ＡＮ質量比が１０％以下となるよう、例えば、質量比９５：５で混合される。ＨＡＮにＡＮを１０％以下の割合で混合させることによって、水の混合比率を減らすことができる。ＨＡＮ／ＡＮ混合薬にメタノールが含有されることにより、燃焼反応の制御が容易となる。ＨＡＮ／ＡＮ混合薬と水とメタノールとが、上記範囲で含有されることによって、ヒドラジンよりも密度の大きなスラスタ用推薬となる。ヒドラジンの密度は１ｇ／ｃｍ^３とされる。推薬の密度が大きいと、同じ質量流量であっても消費される推薬体積量が少なくて済むため、スラスタの推薬タンクを小さくすることができる。

本発明によれば、ＨＡＮ／ＡＮ混合薬と水とメタノールとを所定の割合（質量）で含む推薬は、毒性が低く、取り扱い性が良好で、爆轟性の低い安全な推薬となる。このような推薬をスラスタに用いることにより、システム質量が軽量化することができるとともに、消費電力及び運用コストを下げることができる。

スラスタのイメージ図である。 スラスタ用推薬の密度を示す図である。 スラスタ用推薬の理論比推力を示す図である。 爆轟性評価試験結果を図３に挿入した図である。 図４の領域Ａを拡大した図である。

以下に、本発明に係るスラスタ用推薬の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るスラスタ用推薬は、ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）／アンモニウムナイトレート（ＡＮ）混合薬、水、及びメタノール（ＭｅＯＨ）を含む混合溶液である。スラスタ用推薬において、上記各成分は、合計が１００質量％となるよう所定の比率にて混合されている。

ＨＡＮ／ＡＮ混合薬は、スラスタ用推薬の主成分とされ、触媒によって分解され高温ガスを発生させる機能を有する。ＨＡＮとＡＮとは、例えば質量比でＨＡＮ／ＡＮ＝９５／５の割合で混合されている。ＨＡＮ／ＡＮ混合薬は、スラスタ用推薬の全質量に対して６０質量％以上７６質量％以下でスラスタ用推薬に含有されている。

メタノールは、反応制御のためにスラスタ用推薬に添加されている。メタノールは、スラスタ用推薬の全質量に対して１６質量％以上３２質量％以下でスラスタ用推薬に含有されている。

水は、溶媒として用いられる。水は、スラスタ用推薬の全質量に対して５質量％以上２４質量％以下でスラスタ用推薬に含有されている。
なお、メタノールが２２質量％以下で含有される場合、水が６質量％以上で含有されるものとする。

本実施形態に係るスラスタ用推薬は、図１に示すようなスラスタ１０で用いられる。スラスタ１０は、推薬タンク１及びスラスタ部２を備えている。
推薬タンク１には、スラスタ用推薬が収容されている。
スラスタ部２は、推薬供給口３と、分解ガス排出口４とを有する。スラスタ部２は、推薬供給口３から分解ガス排出口４に向かって末広な形状をしている。推薬供給口３は、スラスタ部２内に推薬を供給するための開口であり、スラスタ部２の推薬タンク１側に設けられている。推薬供給口３には、触媒層５が設けられている。分解ガス排出口４は、スラスタ部２の推薬供給口３と対向する側に設けられる開口である。

スラスタ用推薬は、推薬タンク１から所定の供給手段（不図示）によって推薬供給口３からスラスタ部２に供給される。供給されたスラスタ用推薬は、触媒層５を経由して触媒により分解し、高温の分解ガスを発生させる。触媒としては、アルミナ系担体やイリジウム系金属などが用いられる。スラスタ１０は、高温の分解ガスが分解ガス排出口４から排出されることで推力を得ることができる。

以下に、スラスタ用推薬の各成分の含有量の決定根拠を説明する。
スラスタ用推薬の各成分の含有量から推薬タンクに収納された状態における密度を計測した。図２に、スラスタ用推薬の密度を示す。同図において、底辺がメタノール、左斜辺が水、及び右斜辺がＨＡＮ／ＡＮ混合薬の含有量（質量％）である。
図２によれば、スラスタ用推薬の全質量に対して、ＨＡＮ／ＡＮ混合薬が１０質量％以上、メタノールが４５質量％以下、水が８０質量％以下でスラスタ用推薬に含有されていれば、スラスタ用推薬の密度が１．１ｇ／ｃｍ^３以上となる。

次に、スラスタ用推薬の各成分の含有量からスラスタ用推薬の理論比推力を、市販反応計算ソフト（ＯＤＥ）を用いて算出した。図３に、スラスタ用推薬の理論比推力を示す。同図において、底辺がメタノール、左斜辺が水、及び右斜辺がＨＡＮ／ＡＮ混合薬の含有量（質量％）である。
図３によれば、スラスタ用推薬の全質量に対して、ＨＡＮ／ＡＮ混合薬が６０質量％以上９２質量％以下、メタノールが８質量％以上４０質量％以下、水が０質量％以上２５質量％以下でスラスタ用推薬に含有されていれば、スラスタ用推薬の比推力が２４０ｓ以上となる。

スラスタ用推薬において、密度を大きくすると任意の質量流量で消費される推薬の体積流量を低減させることができる。従って、本発明者らは鋭意研究の結果、比推力を２４０ｓ以上とし、密度を１．１ｇ／ｃｍ^３以上とすることで、密度比推力（密度×比推力）が２４０sec・ｇ／ｃｍ^３（ヒドラジンの値）以上となり、ヒドラジンと比較して、同等以上の性能を発揮できる推薬組成を見出した。すなわち、スラスタ用推薬は、ＨＡＮ／ＡＮ混合薬が６０質量％以上９２質量％以下で含有され、更に、メタノールが８質量％以上４０質量％以下で含有され、更に、水が０質量％以上２５質量％以下で含有されることが好ましい。

（爆轟性評価試験）
次に、上記組成範囲の推薬について、スラスタ適用の安全性を確かめるため、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｋ ４８１０ 火薬類性能試験方法 ５．２．４ 起爆感度試験Ｃ）に準じて２８ｍｍ鋼管試験を行って、ＨＡＮ／ＡＮ混合薬をベースとしたスラスタ用推薬の組成の変化に伴う爆轟性の評価を実施した。本試験は、運用上想定される衝撃に対して、過大な衝撃が入力されると考えられるが、安全側の評価として本手法を採用した。具体的には、外径３４ｍｍ、内径２７．６ｍｍ（板厚３．２ｍｍ）、長さ２００ｍｍのステンレススチール製鋼管内に試料で満たした試験管を挿入し、試験管の底に配置した６号雷管＋ＲＤＸ（Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｅＸｐｌｏｓｉｖｅ、爆薬の１種）で起爆し，鋼管の破砕状況で爆轟伝播性を評価した。試料は、表１に示す推薬組成のものを使用した。

上記試験において、鋼管の破砕が全長にわたるものを「完爆」、鋼管の一部または部分的に破砕が起こるものを「半爆」、雷管の近傍が若干膨らむのみで鋼管の破砕が全く起こらないものを「不爆」とした。上述のように、本試験は運用上想定される衝撃に対して、過大な衝撃が入力されると考えられる。そのため、本試験では「不爆」及び「半爆」であれば、衝撃による爆轟誘起が小さく、スラスタへの適用において安全性が高いと判断できる。

（密度測定）
試料１Ｂ乃至１Ｌ、及び２Ａ乃至２Ｍに関しては、ポータブル密度比重計（調温された溶液を測定セルに導入し，その溶液の振動数を測定することにより，溶液の密度を測定）を用いて、溶液密度を測定した。

表１に、爆轟性評価試験及び密度測定の結果を示す。

図４は、爆轟性評価試験結果を図３に挿入した図である。図５は、図４の領域Ａを拡大した図である。
爆轟性評価試験において、試料１Ｄ、１Ｆ、２Ｂ、及び２Ｃは不爆であった。また、試料１Ｂ、１Ｃ、１I、及び２Ａは完爆であり、それ以外の試料は半爆であった。
完爆した推薬組成については、比較的比推力が高い領域で、かつメタノールと水の割合が比較的小さいため、爆轟性が定性的に高くなる傾向にあり、爆轟性試験の結果からもその傾向が読み取れる。

上記爆轟性試験結果から、スラスタ用推薬に、ＨＡＮ／ＡＮ混合薬が６０質量％以上７６質量％以下で含有され、更に、前記メタノールが１６質量％以上３２質量％以下で含有され、更に、前記水が５質量％以上２４質量％以下で含有され、メタノールが２２質量％以下で含有される場合、前記水が６質量％以上で含有されることが好ましいことがわかった。それによって、安全性の高いスラスタ用推薬となる。

１ 推薬タンク
２ スラスタ部
３ 推薬供給口
４ 分解ガス排出口
５ 触媒層

Claims (2)

1. ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）とアンモニウムナイトレート（ＡＮ）とが、ＡＮ質量比が１０％以下で混合されたＨＡＮ／ＡＮ混合薬と、水と、メタノールと、を含み、前記ＨＡＮ／ＡＮ混合薬と前記水と前記メタノールとの合計質量に対して、
   前記ＨＡＮ／ＡＮ混合薬が６０質量％以上７６質量％以下で含有され、
   更に、前記メタノールが１６質量％以上３２質量％以下で含有され、
   更に、前記水が５質量％以上２４質量％以下で含有され、
   前記メタノールが２２質量％以下で含有される場合、前記水が６質量％以上で含有されるスラスタ用推薬。
2. 請求項１に記載の推薬を用いたスラスタ。
   

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