JP2019199395A - 液体推進剤 - Google Patents

Abstract

【課題】着火性に優れる液体推進剤の提供。【解決手段】アンモニウムジニトラミドと、モノメチルアミンナイトレートと、尿素と、銅化合物系燃焼助剤と、を少なくとも含有し、好ましくは、銅化合物系燃焼助剤がテトラアンミン硝酸銅又は塩基性硝酸銅である液体推進剤。【選択図】なし

Description

本発明は、液体推進剤、詳しくは、アンモニウムジニトラミドとアミンナイトレートを含む液体推進剤に関する。

液体推進剤は一般にロケット等の飛翔体の推進源として用いられている。宇宙用ロケットの分野では燃焼の中断や再点火により推力の制御が可能であるため、ロケットのメインエンジンの他、スラスタを用いて人工衛星の姿勢制御等に利用されている。

液体推進剤は、一般に二液混合系と一液系の２種類がある。二液混合系は液体酸化剤と液体燃料を用い燃焼させることで大きな推力を得ることができるが、供給装置が二系統必要となるため、システムが複雑となる。一液系は触媒への接触や外部エネルギーにより燃焼させることができるため、システムを簡略化できるといった特徴があり、人工衛星の軌道変換や姿勢制御用スラスタに使用されている。

人工衛星の軌道変換や姿勢制御用スラスタに使用される一液系推進剤は、ヒドラジンを含む推進剤が利用されている。

ヒドラジンは毒性が高く蒸発しやすいため、取扱い時には特殊スーツの着用とそのための空気供給設備が必要となる。さらに特定作業要員と医療要員が必要となり、また充填作業時には平行作業が禁止されるなど、運用に際しては安全対策等にコストがかかり、また、打上作業の作業効率を著しく低下させるといった問題点を有している。

特許文献１には、ヒドラジンに替わる液体推進剤として、酸化剤にアンモニウムジニトラミド（ＡＤＮ）、燃料にアルコールを用いた推進剤が開示されている。毒性が減されており、特に好ましい配合物としてＡＤＮと水とグリセロールが例示されている。

特許文献２にもヒドラジンに替わる液体推進剤として、ジニトラミドの塩を酸化剤として用いた推進剤が開示されている。特に好ましい配合物としてアンモニウムジニトラミド（ＡＤＮ）、モノメチルアミンナイトレート（ＭＭＡＮ）、尿素（Ｕｒｅａ）が例示されている。

特表２００２−５３７２１８号公報 特許第５８１９０１１号公報

特許文献１の技術では、ＡＤＮを液体推進剤として使用するためには、水又はアルコール等溶剤が必要となり、着火性が低下する傾向がある。また、水又はアルコール等溶剤を含むため密度や比推力が低下する。特許文献２の技術では、液体推進剤の調合として溶剤は必須ではないが、着火温度が４５０℃程度であり、着火性が比較的良好ではないという問題がある。以上を鑑み、本発明は、優れた着火性をもつＡＤＮ系共融イオン液体推進剤を提供することを目的とする。

本発明者らは鋭意検討した結果、以下に示す本発明を完成した。

（１）アンモニウムジニトラミドと、モノメチルアミンナイトレートと、尿素と、銅化合物系燃焼助剤と、を少なくとも含有する液体推進剤。
（２）尿素の含有量に対する、アンモニウムジニトラミドとモノメチルアミンナイトレートとの合計含有量の質量比が４〜９である（１）の液体推進剤。
（３）アンモニウムジニトラミドと、モノメチルアミンナイトレートと、尿素との合計含量に対する銅化合物系燃焼助剤の含有量の質量比が０．００１〜０．０２である（１）又は（２）の液体推進剤。
（４）アンモニウムジニトラミドと、モノメチルアミンナイトレートと、尿素と、銅化合物系燃焼助剤との合計含有量が９９．５質量％以上を占める（２）又は（３）の液体推進剤。
（５）銅化合物系燃焼助剤がテトラアンミン硝酸銅又は塩基性硝酸銅である（１）〜（４）の液体推進剤。

本発明により、ＡＤＮ系共融イオン液体を用いた、着火性が向上した液体推進剤が提供される。

本発明は、アンモニウムジニトラミドと、モノメチルアミンナイトレートと、尿素と、銅化合物系燃焼助剤と、を少なくとも含有する液体推進剤である。

ここで、液体推進剤とは、液体推進剤がロケットエンジンシステムの上で供給、噴出される際に、流動性を有している推進剤を指す。液体推進剤は流動性を損なわなければ固体物質を含有してもよい。

アンモニウムジニトラミド（ＡＤＮ）は下記化学式（１）で表される化合物である。

ＡＤＮは公知化合物であり、例えば、特表平５−５００７９５号公報に記載の製造方法に倣って、対応するカチオンを調製することにより、上記化学式（１）のアンモニウムジニトラミドを得ることができる。

モノメチルアミンナイトレート（ＭＭＡＮ）は下記一般式（２）で表される化合物である。

モノメチルアミンは公知化合物であり、市販のものを用いたり、公知の製法により得られたものを用いることができる。前記製法としては、例えば、モノメチルアミンと硝酸とを反応させることなどが挙げられ、具体例は後述の実施例にて記載される。

尿素は、化学式ＣＯ（ＮＨ_２）_２で表される化合物である。尿素は公知化合物であり、市販のものを用いたり、公知の製法により得られたものを用いることができる。

銅化合物系燃焼助剤は、銅を含む化合物であり、好ましくは、前記銅は二価である。銅化合物系燃焼助剤は、好ましくは銅を含むオキソ酸塩であり、より好ましくは硝酸塩である。具体的な好適化合物として、テトラアンミン硝酸銅（Ｃｕ（ＮＨ_３）_４（ＮＯ_３）_２）、塩基性硝酸銅（Ｃｕ_２（ＮＯ_３）（ＯＨ）_３）などを挙げることができる。なお、一価の銅の使用が否定される訳ではなく、例えば酸化第一銅（Ｃｕ_２Ｏ）を銅化合物系燃焼助剤として用いることもできる。

銅化合物系燃焼助剤の存在により液体推進剤の着火性が向上する。着火性が向上するメカニズムは詳細には判明していないが、概ね、以下のように推察される。銅化合物系燃焼助剤は、液体推進剤中のＡＤＮの分解によって生成する硝酸と反応して中間生成物を形成する。さらに、その中間生成物が直ちに発熱分解を起こす。この発熱分解により液体推進剤全体の自己発熱量が増加するため、結果として着火性が向上する。

本発明の液体推進剤は、ヒドラジンを用いる必要が無いため、ヒドラジンを用いる液体推進剤と比べ毒性が低く、防護服等により安全性を確保しなくても容易に取り扱え、かつ、これまでの液体推進剤よりも比推力に優れる。よって、好ましくは、本発明の液体推進剤にはヒドラジンが実質的に含まれない。ヒドラジンが実施的に含まれないとは、例えば、含有量が１ｗｔ％以下であることを意味する。また、好ましくは、本発明の液体推進剤には、上述のＡＤＮ、ＭＭＡＮ、尿素及び銅化合物系燃焼助剤の総量が８０ｗｔ％以上、より好ましくは９５ｗｔ％以上、さらに好ましくは９９．５％以上を占める。

液体推進剤におけるＡＤＮとＭＭＡＮの比率に関しては特に限定は無く、（ＡＤＮの質量）／（ＭＭＡＮの質量）の比率は、好ましくは０．５〜２．５であり、より好ましくは０．６〜２．０である。該範囲にすることで、液体としての推進剤を得やすくなり、優れた比推力を得ることができる。また、ＡＤＮ及びＭＭＡＮは共融系を成していることが好ましい。

液体推進剤に含まれる尿素の質量は、ＡＤＮ及びＭＭＡＮの質量より少ないことが好ましく、（ＡＤＮ及びＭＭＡＮの合計質量）／（尿素の質量）の比率は好ましくは４〜９である。該範囲にすることで、液体としての推進剤を得やすくなり、優れた比推力を得ることができる。なお、液体推進剤全質量に占める尿素の質量の割合は、好ましくは０．５〜２０ｗｔ％である。

液体推進剤に含まれる銅化合物系燃焼助剤の質量は、ＡＤＮ、ＭＭＡＮ及び尿素の質量より少ないことが好ましく、（銅化合物系燃焼助剤の質量）／（ＡＤＮ、ＭＭＡＮ及び尿素の合計質量）の比率は好ましくは０．００１〜０．０２である。該範囲にすることで、液体としての推進剤を得やすくなるとともに、着火温度の低下が期待される。

本願発明の液体推進剤には、溶媒として水を用いても用いなくても液体状態となるため水を用いなくてもよいが、液体推進剤の凝固点等を降下させる目的で、適宜水を加えて用いてもよい。

本発明の液体推進剤には、諸性能を調節するために、燃料を用いてもよい。燃料としては、アルコール類、アミノ類、ケトン類等が挙げられる。
アルコール類としては、メタノール、エタノール、エタンジオール、プロパノール、イソプロパノール、プロパンジオール、プロパントリオール、ブタノール、ブタンジオール等が挙げられる。
アミノ類としては、グリシン、アラニン、バリン、ロイシン、イソロイシン等が挙げられる。
ケトン類としては、アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルイソブチルケトン、ジメチルケトン、ジエチルケトン、メチルアミルケトン、シクロヘキサノン、イソホロン等が挙げられる。

本発明の液体推進剤には、添加剤を含有させて用いてもよい。添加剤としては、燃焼触媒、燃焼助剤等が挙げられる。

燃焼触媒とは、燃焼を促進させる触媒のことであり、詳細には、反応活性を上昇させ、低温でも着火が可能となり、幅広い範囲で用いることができる。燃焼触媒としては、ロジウム、ルテニウム、白金、パラジウム、イリジウム等が挙げられる。

燃焼助剤とは、液体推進剤の比推力を向上させる添加剤であり、アルミニウム、マグネシウム、ホウ素、チタン、グラファイト等の粉末が挙げられる。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、本実施例により何ら限定されるものではない。

実施例及び比較例で用いる各化合物は以下のようにして得た。

モノメチルアミンナイトレートは、以下のように合成した。
モノメチルアミン４０％水溶液１４６．５部に、７０％硝酸１８７．６部を滴下して１０℃以下で撹拌して反応させた。反応後、得られた水溶液を６０℃、３０ｍｍＨｇの条件で水を留去させ、モノメチルアミンナイトレートの飽和水溶液を得た。モノメチルアミンナイトレートの飽和水溶液をイソプロピルアルコール２８０部に入れ撹拌させて、モノメチルアミンナイトレートの結晶を析出させた。得られた結晶を濾別し、イソプロピルアルコールで洗浄し、乾燥させて、モノメチルアミンナイトレート１８６．４部を得た。

テトラアンミン硝酸銅は、以下のように合成した。
硝酸銅三水和物５ｇに２５％アンモニア水１０ｍＬを加え、８０℃で１０分間反応させた。反応溶液を４０℃に冷却し、５０ｍＬのエタノールを加えた。その後、吸引ろ過により沈殿物を取り出し、さらにエタノールで洗浄し、減圧乾燥してテトラアンミン硝酸銅を得た。

ＡＤＮ、塩基性硝酸銅、尿素、酸化第一銅（Ｃｕ_２Ｏ）、酸化鉄、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ニッケルは、市販品を用いた。

液体推進剤を製造するために、アンモニウムジニトラミドと、モノメチルアミンナイトレートと、尿素とを室温にて混合し、６０℃で１時間静置し、溶解させて共融イオン液体を得た。得られた共融イオン液体に燃焼助剤を加えて、再び６０℃で１時間静置することによって、液体推進剤を得た。

製造した液体推進剤の組成は以下のとおりである。なお、ＡＤＮ、ＭＭＡＮ及び尿素の合計質量を１００質量部であるとして、燃焼助剤の量を算出した。

ＡＤＮ ＭＭＡＮ 尿素 燃焼助剤（添加量）
実施例１ ４０ｗｔ％ ４０ｗｔ％ ２０ｗｔ％ ＴＡＣＮ（１質量部）
実施例２ ４０ｗｔ％ ４０ｗｔ％ ２０ｗｔ％ ＴＡＣＮ（２質量部）
実施例３ ４０ｗｔ％ ４０ｗｔ％ ２０ｗｔ％ ＴＡＣＮ（３質量部）
実施例４ ４０ｗｔ％ ４０ｗｔ％ ２０ｗｔ％ ＢＣＮ（１質量部）
実施例５ ４０ｗｔ％ ４０ｗｔ％ ２０ｗｔ％ ＢＣＮ（２質量部）
実施例６ ３０ｗｔ％ ５０ｗｔ％ ２０ｗｔ％ ＢＣＮ（２質量部）
実施例７ ６０ｗｔ％ ３０ｗｔ％ １０ｗｔ％ ＢＣＮ（２質量部）
実施例８ ４０ｗｔ％ ４０ｗｔ％ ２０ｗｔ％ ＢＣＮ（３質量部）
実施例９ ４０ｗｔ％ ４０ｗｔ％ ２０ｗｔ％ Ｃｕ_２Ｏ（１質量部）
比較例１ ４０ｗｔ％ ４０ｗｔ％ ２０ｗｔ％ 無し
比較例２ ４０ｗｔ％ ４０ｗｔ％ ２０ｗｔ％ ＦｅＯ（１質量部）
比較例３ ４０ｗｔ％ ４０ｗｔ％ ２０ｗｔ％ ＭｇＯ（１質量部）
比較例４ ４０ｗｔ％ ４０ｗｔ％ ２０ｗｔ％ ＭｎＯ（１質量部）
比較例５ ４０ｗｔ％ ４０ｗｔ％ ２０ｗｔ％ ＮｉＯ（１質量部）

上記における略語は以下の通りである。
ＡＤＮ：アンモニウムジニトラミド
ＭＭＡＮ：モノメチルアミンナイトレート
ＴＡＣＮ：テトラアンミン硝酸銅
ＢＣＮ：塩基性硝酸銅
Ｃｕ_２Ｏ：酸化第一銅
ＦｅＯ：酸化鉄
ＭｇＯ：酸化マグネシウム
ＭｎＯ：酸化マンガン
ＮｉＯ：酸化ニッケル

得られた液体推進剤の溶解状態を目視で評価した。常温にて６０分間静置した後、目視で濁りや固体が全く認識できない場合はＡ、それ以外をＢとして評価した。なお、ＡでもＢでも、液体推進剤としての使用には支障はない。

得られた液体推進剤の着火温度を測定した。５０℃間隔で加熱したホットプレート上に液体推進剤を１滴滴下し、着火する際のホットプレートの最低温度を、着火温度として評価した。

製造した液体推進剤の評価結果は以下のとおりである。

溶解状態 着火温度
実施例１ Ａ ４００℃
実施例２ Ａ ２５０℃
実施例３ Ｂ ２５０℃
実施例４ Ａ ３５０℃
実施例５ Ａ ３５０℃
実施例６ Ａ ４００℃
実施例７ Ａ ３５０℃
実施例８ Ｂ ３５０℃
実施例９ Ｂ ４００℃
比較例１ Ａ ４５０℃
比較例２ Ｂ ４５０℃
比較例３ Ｂ ４５０℃
比較例４ Ｂ ４５０℃
比較例５ Ｂ ４５０℃

以上のとおり、実施例では、比較例よりも着火温度が低く、すなわち着火性が良好な液体推進剤が得られた。

本発明の液体推進剤は、着火性に優れるため、一液系推進剤としてだけではなく、二液系推進剤への適用が可能である。さらに、ホットプレートによる加熱着火方式だけではなく、電気着火方式、レーザ着火方式、触媒着火方式等、各種着火方式への適用が可能である。

Claims (5)

1. アンモニウムジニトラミドと、モノメチルアミンナイトレートと、尿素と、銅化合物系燃焼助剤と、を少なくとも含有する液体推進剤。
2. 尿素の含有量に対する、アンモニウムジニトラミドとモノメチルアミンナイトレートとの合計含有量の質量比が４〜９である請求項１記載の液体推進剤。
3. アンモニウムジニトラミドと、モノメチルアミンナイトレートと、尿素との合計含量に対する銅化合物系燃焼助剤の含有量の質量比が０．００１〜０．０２である請求項１又は２記載の液体推進剤。
4. アンモニウムジニトラミドと、モノメチルアミンナイトレートと、尿素と、銅化合物系燃焼助剤との合計含有量が９９．５質量％以上を占める請求項２又は３記載の液体推進剤。
5. 銅化合物系燃焼助剤がテトラアンミン硝酸銅又は塩基性硝酸銅である請求項１〜４のいずれか１項記載の液体推進剤。