JP2018100613A

JP2018100613A - 隔膜、及びそれを用いたマルチパルスロケットモータ

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Publication number: JP2018100613A
Application number: JP2016246585A
Authority: JP
Inventors: 浩和詫間; Hirokazu Takuma; 智人佐野; Tomohito Sano
Original assignee: NOF Corp
Current assignee: NOF Corp
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2018-06-28
Anticipated expiration: 2036-12-20
Also published as: JP6790800B2

Abstract

【課題】推進薬の燃焼火炎に晒された場合に、隔膜表面に保持される炭化物の量が過剰にならないように低減することができる隔膜を提供する。【解決手段】マルチパルスロケットモータの第１推進薬と第２推進薬２４との間に配置される隔膜２６は、熱分解により炭化物層を形成する第１耐熱層２６Ａと第２耐熱層２６Ｂとを有する。第１耐熱層２６Ａは炭化物層の保持力が第２耐熱層２６Ｂより高く、第１耐熱層と第２耐熱層とは、第１推進薬の燃焼中であって第２推進薬２４の燃焼前に、隔膜２６の熱分解が第１耐熱層２６Ａ側から第２耐熱２６Ｂ層に達するよう積層されている。【選択図】図７

Description

本発明は、マルチパルスロケットモータ用隔膜、及びそれを用いたマルチパルスロケットモータに関する。

複数の固体推進薬を装填したマルチパルスロケットモータは、各推進薬を順番に点火・燃焼させることで、推力を任意のタイミングで複数回発生させることができるため、ロケットモータを搭載した飛翔体の飛翔性能を高めることができる。

推進薬は燃焼時に数十気圧〜１００気圧を超える圧力と、３０００度を超える温度を生じる。そのため、ロケットモータのモータケースや未燃焼の推進薬は、推進薬の燃焼火炎から保護するために、柔軟性と高い耐熱性を有する断熱材や隔膜によって覆われている（特許文献１及び２参照）。特に推進薬を保護する隔膜には、耐熱性が高いゴムの中に、さらに耐熱性を高めるために耐熱性繊維と難燃剤を配合したものが使用される。

マルチパルスロケットモータでは、第１推進薬が点火され、第２推進薬を覆う隔膜が第１推進薬の燃焼火炎に晒されると、ゴムと共に耐熱性繊維や難燃剤が熱分解を始める。この熱分解の際に、ゴムや耐熱性繊維から発生した炭化物や難燃剤の熱分解物が隔膜表面に厚い炭化物層を形成する。一旦、隔膜表面に炭化物層が形成されると、この炭化物層が火炎をさえぎるため、ゴムへの熱伝達量が減って熱分解速度が低減される。そのため、炭化物層を保持する役割を果たす耐熱性繊維や、炭化物層を形成する難燃剤の含有量を増やすことにより、隔膜の耐熱性が向上され、結果的に隔膜を薄く軽量化することができる。

第１推進薬が燃焼を終えると、隔膜で仕切っていた第２推進薬が点火、燃焼される。第２推進薬が点火されると、第２推進薬から生じる燃焼ガスの圧力で第２推進薬を覆っていた隔膜は変形・破断され、燃焼ガスは隔膜の破断部分を通ってノズルから噴射される。しかし、隔膜が複数の個所で破断した場合には、破断した隔膜がモータケースから脱離してその表面の炭化物層と共にノズルへと流れ、ノズルに詰まって燃焼ガスの噴射に影響を及ぼす可能性がある。

特許文献３には、このような問題を解決するために、２枚のゴム板を平面方向に突き合わせて形成されたゴム層を複数積層することで脆弱部が形成された隔膜が開示されている。当該隔膜は、第１推進薬の燃焼中は第２推進薬を火炎から保護し、第２推進薬が点火された後は、第２推進薬から生じる燃焼ガスの圧力を受けて当該脆弱部にて破断するよう構成されている。これにより、隔膜を任意の場所で破断させることができるため、隔膜がモータケースから脱離することを防止することができる。

特開平６−２５７５１４号公報特開２０１５−２１８６２４号公報特開２０１３−２９１００号公報

しかし、特許文献３の隔膜においても、隔膜表面には生成された大量の炭化物が保持されるため、脆弱部以外の部分でも隔膜が破断した場合には大量の炭化物が一度にノズルへと流れ、ノズルを詰まらせる可能性がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、推進薬の燃焼火炎に晒された場合に、隔膜表面に保持される炭化物の量が過剰にならないように低減することができる隔膜を提供することである。

本発明は、マルチパルスロケットモータの第１推進薬と第２推進薬との間に配置される隔膜であって、熱分解により炭化物層を形成する第１耐熱層と第２耐熱層とを有し、前記第１耐熱層は、前記炭化物層の保持力が前記第２耐熱層より高く、前記第１推進薬の燃焼中であって前記第２推進薬の燃焼前に、前記隔膜の熱分解が前記第１耐熱層側から前記第２耐熱層に達するように前記第１耐熱層と前記第２耐熱層とが積層されている隔膜である。

前記第１耐熱層は、前記第２耐熱層より耐熱性繊維の含有率が高いことが好ましい。

前記第１耐熱層は、前記第２耐熱層より含有する耐熱性繊維の平均繊維長が長いことが好ましい。

前記第１耐熱層及び前記第２耐熱層は、前記耐熱性繊維と難燃剤とを含有するゴムからなることが好ましい。

前記第１耐熱層と前記第２耐熱層は交互に積層されていることが好ましい。

本発明のマルチパルスロケットモータは、前記隔膜を有することを特徴とする。

本発明の隔膜は、第１推進薬の燃焼中に、隔膜の熱分解が第１耐熱層側から第２耐熱層に達すると、第２耐熱層は炭化物層の保持力が低いため、第１耐熱層の熱分解により生じた炭化物が隔膜表面から剥離・脱落する。これにより、隔膜表面に保持される炭化物を低減し、隔膜が破断・脱離した際に大量の炭化物が一度にノズルへと流入することを防止できる。

本発明の実施形態に係るマルチパルスロケットモータの模式断面図である。前記マルチパルスロケットモータの第１推進薬の燃焼状態を表す図である。前記マルチパルスロケットモータの第２推進薬の燃焼状態を表す図である。従来の隔膜の燃焼前の状態を表す模式断面図である。従来の隔膜の第１推進薬の燃焼中盤の状態を表す図である。従来の隔膜の第１推進薬の燃焼終盤の状態を表す図である。前記実施形態に係る隔膜の燃焼前の状態を表す模式断面図である。前記実施形態に係る隔膜の第１推進薬の燃焼中盤の状態を表す図である。前記実施形態に係る隔膜の第１推進薬の燃焼終盤の状態を表す図である。

以下、本発明を実施するための実施形態について図面を用いて説明する。最初にマルチパルスロケットモータの構成について説明した後に、そこで用いられる隔膜について説明する。

図１に示されるように、ロケットモータ１０のモータケース２０内には、固体燃料である第１推進薬２２と第２推進薬２４とが装填されており、第１推進薬２２と第２推進薬２４との間は隔膜２６によって隔てられている。また、モータケース２０の前部（図１における左側）には、第１推進薬２２及び第２推進薬２４にそれぞれ点火するための第１点火装置２８及び第２点火装置３０が設けられ、モータケース２０の後部（図１における右側）には、燃焼ガスを噴出するノズル３２が設けられている。なお、本実施形態のロケットモータ１０は、推進薬及び点火装置をそれぞれ２個有しているが、ロケットモータの構成に応じてそれぞれ３個以上としてもよい。また、その場合には、各推進薬の間にそれぞれ隔膜が設置される。

モータケース２０は、略円筒状に成形されており、強度の高い高張力鋼や、軽量なアルミニウム合金、ＦＲＰケースなどが使用され、その内面には、火炎から保護するために耐熱ゴムやＦＲＰ製の断熱材が接着される。また、ノズル３２は高温・高圧の燃焼ガスに耐えるように、耐熱強度の高いグラファイトが使用される。

第１推進薬２２及び第２推進薬２４は、一般的なコンポジット推進薬やダブルベース推進薬であり、事前に所定の形状に成形した物や、モータケース２０に中子を装填して推進薬スラリーを注型して成形したものが使用される。本実施形態においては、第２推進薬２４は略円筒状に成形されており、その中空部に略円筒状に成形された第１推進薬２２が同心状に配置されている。第１推進薬２２と第２推進薬２４の間に配置されている隔膜２６は、第１推進薬２２の燃焼中にその火炎で第２推進薬２４が燃焼しないように、モータケース２０の内部空間に面する第２推進薬２４の表面全体を覆っている。また、隔膜２６の端部をモータケース２０に接着することによって、第１推進薬２２の燃焼火炎が隔膜２６の裏側に回りこまないようにされている。

第１点火装置２８及び第２点火装置３０は、図示省略するが、電流を流すことで発火するイニシエータと、そのイニシエータの火炎で着火する点火薬を点火薬ケースに収納したものである。第１点火装置２８が燃焼すると第１推進薬２２が、第２点火装置３０が燃焼すると第２推進薬２４がそれぞれ着火されるよう構成されている。

続いて、隔膜２６の構成について説明する。隔膜２６は、図７に示すように、２層の第１耐熱層２６Ａと２層の第２耐熱層２６Ｂとが交互に積層されることで構成されている。詳しい組成等は後述するが、第１耐熱層２６Ａ及び第２耐熱層２６Ｂはいずれも熱分解により炭化物層を形成する材料で形成されており、第１耐熱層２６Ａの方が第２耐熱層２６Ｂよりも炭化物層の保持力が高くなるよう形成されている。炭化物層の保持力とは、炭化物層を形成する炭化物が耐熱層表面から脱離や剥離しにくい性質を意味する。つまり、炭化物層の保持力が高いほど、炭化物が耐熱層表面から脱落しにくくなり、結果的に耐熱層表面に多くの炭化物層が生成・残存する。隔膜２６は、第１推進薬２２の燃焼中であって第２推進薬２４の燃焼前に、隔膜２６の熱分解が第１耐熱層２６Ａ側から第２耐熱層２６Ｂに達するように設計されていればよく、第１耐熱層２６Ａ及び第２耐熱層２６Ｂの厚み、形状等は使用態様に応じて適宜変更可能である。なお、本実施形態の第１耐熱層２６Ａ及び第２耐熱層２６Ｂはそれぞれ２層であるが、各層はそれぞれ１層であってもよいし、３層以上であってもよい。ただし、少なくとも一つの第２耐熱層２６Ｂが少なくとも一つの第１耐熱層２６Ａよりも第２推進薬２４側に位置するよう隔膜２６を配置する必要がある。

隔膜２６は、圧力がかかった際の変形に耐えるために柔軟性が必要であるが、第１推進薬２２の高温火炎に耐えて第２推進薬２４を保護するために高い耐熱性も必要である。このため、隔膜２６には、柔軟性と耐熱性を有するゴムを基材とし、これに耐熱性繊維、難燃剤、加硫剤やその他添加剤を任意に配合した組成物が使用される。

基材であるゴムとしては、柔軟性と耐熱性を有する、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、ネオプレンゴム、ブタジエンゴム、天然ゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、ウレタンゴムが挙げられ、中でも、ＥＰＤＭやネオプレンゴムのような耐熱性と耐寒性が高いゴムが好ましい。なお、耐寒性が高いゴムを用いる利点は、低温環境においても隔膜２６の柔軟性を保証できることにある。

耐熱性繊維としては、アラミド繊維、炭素繊維、ポリイミド繊維、ポリアリレート繊維、ガラス繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維が挙げられ、熱で炭化するアラミド繊維が好ましい。用いられる耐熱性繊維の平均繊維長は、通常０．５〜３ｍｍである。なお、本発明において数値範囲を示す「○○〜△△」の記載は、別途記載が無い限り、その上限及び下限を含む数値範囲を意味する。つまり、「○○〜△△」は「○○以上、△△以下」を意味する。

難燃剤としては、三酸化アンチモン、硫化亜鉛、リン化合物、塩素化合物、臭素化合物、金属水酸化物、水和金属塩が挙げられ、三酸化アンチモン、硫化亜鉛、塩素化合物、臭素化合物、リン化合物が好ましく、三酸化アンチモンが特に好ましい。

加硫剤としては、硫黄、有機過酸化物が挙げられる。また、その他添加剤としては、塩素化パラフィン、含ハロゲン化炭化水素、カーボンブラック、酸化亜鉛、炭化水素樹脂が挙げられ、塩素化パラフィン、含ハロゲン化炭化水素を添加させると難燃性を高める点で有利である。

本発明の第１耐熱層２６Ａは、第２耐熱層２６Ｂよりも炭化物層の保持力が高くなるよう構成されていればよく、その手段は特に限定されない。そのような手段として、例えば、炭化物層を保持する役割を担う耐熱性繊維の第１耐熱層２６Ａにおける含有率を第２耐熱層２６Ｂよりも高くする、第１耐熱層２６Ａが含有する耐熱性繊維の平均繊維長を第２耐熱層２６Ｂよりも長くする、または、第１耐熱層２６Ａでは耐熱性繊維を層に垂直に配位し、第２耐熱層２６Ｂでは耐熱性繊維を層に平行に配位することが挙げられる。本実施形態では耐熱性繊維の第１耐熱層２６Ａにおける含有率を第２耐熱層２６Ｂよりも高くする手段がとられているため、以下において当該第１耐熱層２６Ａ及び第２耐熱層２６Ｂの各成分の組成比率について説明する。

本実施形態の第１耐熱層２６Ａは、ゴムを４０〜６５質量％、耐熱性繊維を４〜２０質量％、難燃剤を８〜１５質量％、加硫剤やその他添加剤を１０〜３５質量％配合したゴム組成物から形成される。

一方、炭化物層保持力の低い第２耐熱層２６Ｂは、組み合わせられる第１耐熱層２６Ａよりも耐熱性繊維の含有率が低いゴム組成物が用いられる。ただし、隔膜２６の表面に保持される炭化物層を効果的に低減するためには、第２耐熱層２６Ｂは、耐熱性繊維が３質量％以下、難燃剤が２〜１０質量％、耐熱性繊維と難燃剤の合計量が２〜１３％質量であることが好ましく、さらに好ましくは耐熱性繊維が１〜２質量％、難燃剤が５〜８質量％、耐熱性繊維と難燃剤の合計量が６〜１０質量％である。なお、耐熱性繊維と難燃剤を共に０％としたゴム層は、炭化物層の保持力が非常に低く、耐熱性に劣る特性を示す。しかし、このゴム層を耐熱性の高い第１耐熱層２６Ａと積層することにより隔膜２６に要求される耐熱性を十分に満たすことができれば、このようなゴム層を第２耐熱層２６Ｂとして使用することもできる。

第１耐熱層２６Ａと第２耐熱層２６Ｂとを積層した隔膜２６を製造するためには、２種類のゴム組成物をそれぞれシート状に成型し、これらを積層した状態で回転ローラに通して気泡を抜きながら圧着するか、平板プレスで圧着する方法を用いることができる。このようにして製造した積層構造のゴムを金型に仕込んでプレス加硫することで、所定形状の積層構造を有する隔膜２６を製造することができる。

次に、図１から図３を参照しながらロケットモータ１０の作動機構を説明する。図１はロケットモータが点火される前の状態を示している。この状態で第１点火装置２８が点火されると、第１推進薬２２が燃焼し、燃焼ガスがノズル３２から噴出して所定の推力を発生する（図２参照）。この間、第２推進薬２４は隔膜２６によって保護されている。所定の時間経過後に第２点火装置３０を点火すると、第２推進薬２４が燃焼し、発生した燃焼ガスの圧力で隔膜２６が破れ、燃焼ガスがノズル３２から噴出して推力を発生する（図３参照）。なお、図２及び図３中の白矢印は、それぞれ燃焼ガスの流れ方向を示す。

続いて、第１推進薬２２が燃焼している間に従来の隔膜４０及び本実施形態の隔膜２６が焼損する様子を図４から図９を参照しながら説明する。なお、図５，６，８及び９中の白矢印は燃焼ガスの流れ方向を示す。図４から図６は従来の隔膜４０が燃焼火炎により焼損する過程を示した図である。図４に示されるように、耐熱性繊維が多量に配合されたゴムからなる隔膜４０は第２推進薬２４を覆うように配置されている。そして、第１推進薬の燃焼が開始されると、図５に示されるように第２推進薬２４とは反対側の隔膜表面が火炎に晒され、ゴムの熱分解により生じた炭化物が隔膜４０の表面に保持されることで炭化物層４２が形成される。そして、第１推進薬の燃焼終了に近い時点では、図６に示されるように、隔膜４０の表面に非常に厚い炭化物層４２が形成される。この隔膜４０は、第２推進薬２４の燃焼により変形・破断する際に、保持した大量の炭化物と共にノズルへと流入し、ノズルを詰める可能性がある。

一方、図７から図９は本実施形態の隔膜２６が燃焼火炎により焼損する過程を示している。隔膜２６は、図７に示されるように、第２推進薬２４側に第２耐熱層２６Ｂが位置するように配置される。そして、第１推進薬２２の燃焼が開始されると、火炎によって第１耐熱層２６Ａが熱分解していくにつれて表面に炭化物層４２が形成されていくが（図８参照）、第２耐熱層２６Ｂまで焼損が到達した部位では、この炭化物層４２は徐々に剥がれ落ちるため、多量の炭化物が隔膜２６の表面に保持されることは無い（図９参照）。したがって、隔膜２６が破断した際の炭化物の脱落量を低減できるため、ノズル３２が詰まる危険性はない。

以下に、本実施形態の隔膜２６の評価試験の結果を実施例及び比較例を挙げて示すが、本発明はこれらに限られるものではない。

＜隔膜の作成＞
基材ゴムとしてエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）を４７質量％、耐熱性繊維として平均繊維長１ｍｍのケブラー繊維を１４質量％、難燃剤として三酸化アンチモンを１２質量％、加硫剤として有機過酸化物（日油株式会社製：パーヘキサＶ４０）を４質量％、その他添加剤として塩素化パラフィンを２３質量％含有する膜厚２ｍｍの第１耐熱層上に、基材ゴムとしてＥＰＤＭを５９質量％、耐熱性繊維として平均繊維長１ｍｍのケブラー繊維を２質量％、難燃剤として三酸化アンチモンを７質量％、加硫剤として有機過酸化物（日油株式会社製：パーヘキサＶ４０）を４質量％、その他添加剤として塩素化パラフィンを２８質量％含有する膜厚３ｍｍの第２耐熱層を積層し、回転ローラにより相互に圧着した。そして、圧着されたゴム積層体を金型に仕込み、温度１４０℃の条件でプレス加硫することで実施例１の隔膜を形成した。

上記実施例１の隔膜と同様の方法で、下記表１に示される組成の実施例２から４、比較例１及び２の隔膜を作成した。なお、表１中の組成の正確な単位は質量％である。

得られた隔膜の耐熱性と、炭化物層の保持力とを評価するために、下記トーチバーナー試験を行った。

＜トーチバーナー試験＞
各実施例及び比較例の隔膜を１０ｃｍ角の大きさに切り出し、得られた試料を金属枠に取り付けた。プロパンガス：空気を１：１０の比率で混合して、２．８Ｌ／ｓのガス流量に調整したガスバーナーを用いてこの試料を第１耐熱層側から１２０秒間炙ることで、第１耐熱層を完全に焼損させ、第２耐熱層を途中まで焼損させた。そして、第２耐熱層表面に残った炭化物層の生成量（炭化物層の保持力）と、耐熱性（焼損速度）を評価した。評価結果は上記表１に示す。
炭化物層の生成量は、試料表面に残存した炭化物を削り落として炭化物の質量を測定し、単位面積当たりの炭化物量を算出して、下記の４段階で評価した。
２０ｍｇ／ｃｍ^２未満：非常に少ない
２０ｍｇ／ｃｍ^２以上、２５ｍｇ／ｃｍ^２未満：少ない
２５ｍｇ／ｃｍ^２以上、３０ｍｇ／ｃｍ^２未満：多い
３０ｍｇ／ｃｍ^２以上：非常に多い
耐熱性は、炭化物を削り落とした試料の厚さと試験前の試料の厚さとの差を焼損厚さとし、１分間当たりの焼損速度を算出して、下記の４段階で評価した。
１ｍｍ／分未満：非常に良好
１ｍｍ／分以上、２ｍｍ／分未満：良好
２ｍｍ／分以上、３ｍｍ/分未満：悪い
３ｍｍ／分以上：非常に悪い

表１に示すトーチバーナー試験の結果を参照すると、実施例１から４では、炭化物層の生成量は少なく、耐熱性も良好であった。一方、比較例１及び２は、耐熱性は良好であるものの、第１耐熱層の耐熱性繊維の含有率が第２耐熱層と同じであるため炭化物層の生成量が非常に多かった。

１０ロケットモータ
２０モータケース
２２第１推進薬
２４第２推進薬
２６隔膜
２６Ａ第１耐熱層
２６Ｂ第２耐熱層
２８第１点火装置
３０第２点火装置
３２ノズル

Claims

マルチパルスロケットモータの第１推進薬と第２推進薬との間に配置される隔膜であって、熱分解により炭化物層を形成する第１耐熱層と第２耐熱層とを有し、
前記第１耐熱層は、前記炭化物層の保持力が前記第２耐熱層より高く、
前記第１推進薬の燃焼中であって前記第２推進薬の燃焼前に、前記隔膜の熱分解が前記第１耐熱層側から前記第２耐熱層に達するように前記第１耐熱層と前記第２耐熱層とが積層されている隔膜。
前記第１耐熱層は、前記第２耐熱層より耐熱性繊維の含有率が高い、請求項１に記載の隔膜。
前記第１耐熱層は、前記第２耐熱層より含有する耐熱性繊維の平均繊維長が長い、請求項１に記載の隔膜。
前記第１耐熱層及び前記第２耐熱層は、前記耐熱性繊維と難燃剤とを含有するゴムからなる、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の隔膜。
前記第１耐熱層と前記第２耐熱層が交互に積層された、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の隔膜。
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の隔膜を有するマルチパルスロケットモータ。