JP2015107895A - Ｈａｎ／ｈｎベースモノプロペラント - Google Patents

Abstract

【課題】液体ロケット、小型スラスタ及びタービン用ガスジェネレータ等に用いる、燃焼特性や取扱性に優れたＨＡＮ／ＨＮベース１液推進薬（モノプロペラント）の提供。【解決手段】ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）とヒドラジウムナイトレート（ＨＮ）と水から成るＨＡＮ／ＨＮ系酸化剤成分と、水素原子含有率が高い液状燃料を含む燃料成分とを含有するＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラント。水素原子含有率が高い液状燃料が、メタノール、エタノール、アンモニア、ニトロメタン、ニトロエタン及びターシャル亜硝酸ブチルより選ばれた少なくとも１種である。燃料成分が更にトリエタノールアンモニウムナイトレート（ＴＥＡＮ）を含む。ＨＡＮとＨＮの合計含有量が３０〜９０質量％、水が５〜５０質量％、燃料成分が５〜７０質量％の割合、又は、ＴＥＡＮを１〜２５質量％の割合で含むＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラント。【選択図】なし

Description

本発明は、液体ロケット、小型スラスタ及びタービン用ガスジェネレータなどに用いられる１液推進薬（モノプロペラント）に関する。

従来、ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）とヒドラジウムナイトレート（ＨＮ）と水を含む酸化剤と、燃料成分とから成るＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
かかるモノプロペラントは、取扱い時に防護服等を着用する必要性を低減し、且つヒドラジンに匹敵する燃焼特性を有する優れたものである。

特開２００４−３３１４２５号公報

しかしながら、上述のような従来のモノプロペラントとはいえ、燃焼特性や取扱性に関し以下のような改善の余地があった。

即ち、このモノプロペラントは、良好な比推力を有するもののヒドラジンの２３７ｓよりは低く、断熱火炎温度もヒドラジン８７３Ｋよりは高い。
また、このモノプロペラントでは、比推力向上のため基本的には燃料成分としてトリエタノールアンモニウムナイトレート（ＴＥＡＮ）を用いるが、ＴＥＡＮは固形成分であり含有量を増大しようとすると、得られるモノプロペラントの粘度が上昇して配管や噴射器への供給や噴出が困難となる。
更に、単にＴＥＡＮ含有量を増大させて高比推力化したのでは、断熱火炎温度が更に上昇するので、高温ガス発生に際し触媒や燃焼器、搭載機器への熱負荷が増加せざるを得ず、これらの設計自由度が抑制される。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃焼特性や取扱性に優れたＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントを提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、所定の液状燃料を含む燃料成分を用いることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の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）とヒドラジウムナイトレート（ＨＮ）と水から成るＨＡＮ／ＨＮ系酸化剤成分と、水素原子含有率が高い液状燃料を含む燃料成分とを含有することを特徴とする。

また、本発明のＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントの好適形態は、上記燃料成分が更にトリエタノールアンモニウムナイトレート（ＴＥＡＮ）を含むことを特徴とする。

更に、本発明のＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントの他の好適形態は、上記水素原子含有率が高い液状燃料が、メタノール、エタノール、アンモニア、ニトロメタン、ニトロエタン及びターシャル亜硝酸ブチルから成る群より選ばれた少なくとも１種のものであることを特徴とする。

更にまた、本発明のＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントの更に他の好適形態は、ＨＡＮとＨＮの合計含有量が３０〜９０質量％、水が５〜５０質量％、燃料成分が５〜７０質量％の割合で含まれることを特徴とする。

また、本発明のＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントの他の好適形態は、ＴＥＡＮを１〜２５質量％の割合で含むことを特徴とする。
更に、本発明のＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントの別の好適形態は、粘度が１〜３０［ｍＰａ・ｓ］であることを特徴とする。

本発明によれば、所定の液状燃料を含む燃料成分を用いることとしたため、燃焼特性や取扱性に優れたＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントを提供することができる。

高温ガス発生方法を実施する装置の一例を示す構成図である。 比較例１のプロペラントにおける組成と爆轟領域との関係を示すグラフである。 実施例１のプロペラントにおける組成と爆轟領域との関係を示すグラフである。

以下、本発明のＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントについて説明する。
上述のように、本発明の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）とヒドラジウムナイトレート（ＨＮ）と水から成るＨＡＮ／ＨＮ系酸化剤成分と、水素原子含有率が高い液状燃料を含む燃料成分とを含有する。

まず、酸化剤成分について説明する。
ＨＡＮ−Ｈ_２Ｏ混合薬については、ＨＡＮが９０質量％未満では爆轟が起こらないのでＨＡＮの一部をＨＮに置き換えることができ、本発明では、爆轟を起こすことなく、ＨＡＮとＨＮの合計含有量を３０〜９０質量％とすることができる。
また、本発明では、水の含有量を５〜５０質量％とすることができ、性能が良く爆轟を起こさないモノプロペラントを得ることができる。
このように、本発明では、水の含有量を１０質量％未満にできるが、これは後述する所定の液状燃料を使用したことによるものである。

なお、本発明のモノプロペラントは、アンモニウムナイトレート（ＡＮ）を含んでいないが、ＡＮを含むモノプロペラントと比較して安定性や応答性に優れるものである。

次に、燃料成分について説明すると、本発明において、燃料成分は水素原子含有率が高い液状燃料を含む。
ここで、水素原子含有率が高い液状燃料（以下、「高Ｈ燃料」と略すことがある。）としては、メタノール、エタノール、アンモニア、ニトロメタン、ニトロエタン及びターシャル亜硝酸ブチルから成る群より選ばれた少なくとも１種のものを挙げることができる。

かかる高Ｈ燃料を使用することにより、得られるプロペラントの粘度を低下させることができるので、高温ガス発生の際、プロペラントの配管への供給や噴射器からの噴出を容易にすることができる。
また、高Ｈ燃料は、燃焼ガスを低分子量化する機能を有するので、得られるプロペラントを高比推力化でき且つ燃焼温度も低下させることができる。

なお、本発明においては、燃料成分にトリエタノールアンモニウムナイトレート（ＴＥＡＮ）を含ませることができる。
一般に、ＴＥＡＮはモノプロペラントを高比推力化するのに有効な成分であるが、固形成分でありプロペラントの粘度上昇を招き、且つＴＥＡＮ含有量を増大させると断熱火炎温度が上昇する。
これに対し、本発明では、上記の高Ｈ燃料を用いることによって、プロペラントの粘度上昇を抑制しつつ、断熱火炎温度の上昇を抑制している。

本発明のプロペラントにおいて、燃料成分の含有量は５〜７０質量％とすることが好ましい。燃料成分がこの範囲を逸脱すると、Ｉｓｐがヒドラジンよりも低下することがある。
また、本発明においては、ＴＥＡＮを１〜２５質量％の割合で含有させることができ、比較的多量のＴＥＡＮを使用しつつ粘度等を良好に維持することができる。

本発明のＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントは、特に限定されるものではないが、その粘度が１〜３０［ｍＰａ・ｓ］である。
粘度が３０［ｍＰａ・ｓ］を超えると、配管や噴射器への供給や噴出が困難となることがある。

次に、本発明のモノプロペラントを用いた高温ガス発生方法について説明する。
この高温ガス発生方法は、上述のようなＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントを、触媒に直接噴霧して高温ガスを発生させる方法である。
ここで、触媒はイリジウム系触媒が好適であるが、白金（Ｐｔ）系やパラジウム（Ｐｄ）系の触媒を用いこともできる。また、触媒は５０〜３００℃に加熱（予熱）しておき、これにモノプロペラントを直接噴霧することが好ましい。

図１は、上記の高温ガス発生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１液推進薬（モノプロペラント）、２は加圧ガスタンク、４は推進薬タンク、６ａは第１電磁弁、６ｂは第２電磁弁、７ａ，７ｂは手動開閉弁、８はスラスタ、９ａは第１ヒータ、９ｂは第２ヒータ、１０は触媒、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は、１液推進薬１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を介して推進薬タンク４内の１液推進薬１を加圧し、手動開閉弁７ｂを介して電磁弁６ａ，６ｂへ加圧状態の１液推進薬１を供給する。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、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。
ヒータ９ａは、電磁弁６ａ，６ｂ内の推進薬を予熱し、所定の温度に保持する。スラスタ８は、内蔵する触媒１０により、１液推進薬１を反応／分解させ高温ガスを発生させる。ヒータ９ｂは、触媒１０を予熱し、所定の温度に保持する。

本発明の１液推進薬（モノプロペラント）１は、上述のように、ＨＡＮ／ＨＮ／水・混合系のＨＮ系酸化剤成分と高Ｈ燃料とからなる。
触媒１０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。

上述した装置を用い、この高温ガス発生方法では、ＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラント１を、所定温度に予熱した触媒に直接噴霧して高温ガスを発生させる。
この方法により、微細な液滴状態の１液推進薬（モノプロペラント）１を触媒層で補足して蒸発させるとともに、１液推進薬１を反応／分解させ高温ガスを発生させることができる。
なお、この装置を用いた試験により得られる燃焼圧力履歴、燃焼温度履歴などから、実効Ｉｓｐを推定することができる。

以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１、比較例１〜３）
ＨＡＮ、ＨＮ、ＴＥＡＮなどを用い、常法にしたがって表１に示す組成を有する各例のプロペラントを作成した。

＜性能評価＞
各例のプロペラントにつき下記の性能評価を行い、得られた結果を表１に併記する。また、密度及び粘度も併記した。
［比推力（Ｉｓｐ）］
図１に示した装置で試験を行い、得られた燃焼圧力履歴、燃焼温度履歴などから比推力を算出した。

［密度Ｉｓｐ（ρＩｓｐ）］
ρＩｓｐ＝ρ×Ｉｓｐにより算出する。ここで、ρ：推進薬密度［ｇ／ｃｃ］、Ｉｓｐ：比推力［ｓｅｃ］は、図１の装置を用いた試験により取得する。

［断熱火炎温度］
上記同様に、図１の装置を用いた試験により取得した燃焼ガス温度などから推定する。

表１において、比推力：Ｉｓｐ、密度比推力：ρＩｓｐ、断熱火炎温度Ｔａｄ、は全て燃焼圧力＝１［ＭＰａＡ］、開口比＝１００における平衡計算結果である。

比較例１のプロペラントにおける組成と爆轟領域との関係を図２に、実施例１のプロペラントにおける組成と爆轟領域との関係を図３に、それぞれ示す。

比較例１のプロペラントにおける組成と比推力・断熱火炎温度との関係を図２に、実施例１のプロペラントにおける組成と比推力・断熱火炎温度との関係を図３に、それぞれ示す。

図２に示すように、従来技術によりＴＥＡＮの含有率を増やすことで爆轟しない領域でＩｓｐ＞２４０［ｓ］以上となる組成を試作したが、粘度が３０［ｍＰａ・ｓ］以上となっており、使用することができなかった。また、図３に示すように、実施例１では燃料の一部を液状成分に置き換えることによって、Ｉｓｐ＞２４０［ｓ］かつ粘度が３０［ｍＰａ・ｓ］未満となる組成を得られた。

以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。

本発明のプロペラントは一液式推進装置の他に、二液式推進装置、ハイブリッド式推進装置、電気推進装置へ適用することも可能である。

１ １液推進薬（モノプロペラント）
２ 加圧ガスタンク
４ 推進薬タンク
６ａ、６ｂ 電磁弁
７ａ、７ｂ 手動開閉弁
８ スラスタ
９ａ、９ｂ ヒータ
１０ 触媒

Claims (6)

1. ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）とヒドラジウムナイトレート（ＨＮ）と水から成るＨＡＮ／ＨＮ系酸化剤成分と、水素原子含有率が高い液状燃料を含む燃料成分とを含有することを特徴とするＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラント。
2. 上記燃料成分が更にトリエタノールアンモニウムナイトレート（ＴＥＡＮ）を含むことを特徴とする請求項１に記載のＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラント。
3. 上記水素原子含有率が高い液状燃料が、メタノール、エタノール、アンモニア、ニトロメタン、ニトロエタン及びターシャル亜硝酸ブチルから成る群より選ばれた少なくとも１種のものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラント。
4. ＨＡＮとＨＮの合計含有量が３０〜９０質量％、水が５〜５０質量％、燃料成分が５〜７０質量％の割合で含まれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラント。
5. ＴＥＡＮを１〜２５質量％の割合で含むことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つの項に記載のＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラント。
6. 粘度が１〜３０［ｍＰａ・ｓ］であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載のＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラント。

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