JP2019502625A - 高分子量ジオールを有するヒドロキシル基末端バインダを備えた固体ロケットモータ - Google Patents
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Abstract
固体ロケット推進薬が、３０個を上回る炭素原子（＞Ｃ30）を有するとともに５０個を下回る炭素原子（＜Ｃ50）を有する高分子量ジオールを有し、かつ、二量体ジイソシアネート（ＤＤＩ）を除いた、ヒドロキシル基末端ポリブタジエン（ＨＴＰＢ）バインダシステムを含む。
Description
（関連出願の相互参照）
本発明は、２０１５年１１月１８日出願の米国特許仮出願第６２／２５７，０９３号の優先権を主張する。
本発明は、２０１５年１１月１８日出願の米国特許仮出願第６２／２５７，０９３号の優先権を主張する。
固体ロケットモータは一般的に鋳造された固体推進薬を含む。固体推進薬は、バインダで結合された酸化剤、燃料、またはその両方を含む。固体推進薬の点火により高圧ガスを発生させ、この高圧ガスは、ノズルを通して放出されて推力を発生させる。
本発明の一例による固体ロケット推進薬が、３０個を上回る炭素原子（＞Ｃ30）を有するとともに５０個を下回る炭素原子（＜Ｃ50）を有する高分子量ジオールを有し、かつ、二量体ジイソシアネート（dimeryl diisocyanate,ＤＤＩ）を除いた、ヒドロキシル基末端ポリブタジエン（ＨＴＰＢ）バインダシステムを含む。
前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、高分子量ジオールが、二量体ジオール（dimer diol，ＤＤ）である。
前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、過塩素酸酸化剤および燃料をさらに含む。
前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、過塩素酸酸化剤が、過塩素酸アンモニウム、過塩素酸ナトリウム、または過塩素酸カリウムのうち少なくとも一つを含み、燃料が、アルミニウム、マグネシウム、またはホウ素のうち少なくとも一つを含む。
前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、過塩素酸酸化剤が過塩素酸アンモニウムであり、燃料がアルミニウムである。
前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、過塩素酸酸化剤、燃料、およびヒドロキシル基末端ポリブタジエンバインダシステムが、組み合わされた総重量を有し、高分子量ジオールは、総重量の０．１％〜１０％である。
前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、高分子量ジオールは、総重量の１％〜５％である。
前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、ヒドロキシル基末端ポリブタジエンバインダシステムが、ジイソシアネートまたはポリイソシアネートを含む。
前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、ジイソシアネートが、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、芳香族ジイソシアネート、芳香族ポリイソシアネート、脂肪族ジイソシアネート、および脂肪族ポリイソシアネートからなる群から選択される。
前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、過塩素酸酸化剤と燃料をさらに含む。過塩素酸酸化剤、燃料、およびヒドロキシル基末端ポリブタジエンバインダシステムが、組み合わされた総重量を有し、高分子量ジオールは、総重量の０．１％〜１０％であり、ヒドロキシル基末端ポリブタジエンバインダシステムが、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、芳香族ジイソシアネート、芳香族ポリイソシアネート、脂肪族ジイソシアネート、および脂肪族ポリイソシアネートからなる群から選択されたジイソシアネートを含む。
本発明の一例による固体ロケット推進薬が、過塩素酸酸化剤と、燃料と、二量体ジオール（ＤＤ）を有するヒドロキシル基末端バインダシステムと、を含む。
前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、過塩素酸酸化剤と、燃料と、ヒドロキシル基末端バインダシステムが、組み合わされた総重量を有し、二量体ジオールが、総重量の０．１％〜１０％である。
前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、過塩素酸酸化剤が、過塩素酸アンモニウム、過塩素酸ナトリウム、または過塩素酸カリウムのうち少なくとも一つを含む。
前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、燃料が、アルミニウム、マグネシウム、またはホウ素のうち少なくとも一つを含む。
前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、過塩素酸酸化剤が、過塩素酸アンモニウムを含む。
前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、燃料が、アルミニウムを含む。
前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、二量体ジオールが、３０個を上回る炭素原子（＞Ｃ30）を有するとともに５０個を下回る炭素原子（＜Ｃ50）を有する。
以下の詳細な説明から本発明の様々な特徴および利点が当業者に明らかとなるであろう。詳細な説明に添付の図面を以下に簡単に説明する。
図１は一例の固体ロケットモータ２０の選択された部分の断面図を概略的に示し、これはエネルギー装置の一例でもある。固体ロケットモータ２０は概してノズル２２と、固体推進薬セクション２４と、を含む。固体推進薬セクション２４は、前端２４ａと、後端２４ｂと、を含む。ノズル２２は、後端２４ｂに取り付けられる。理解できるように、固体ロケットモータ２０は、その動作に関連する追加のコンポーネントを含んでもよく、それらのコンポーネントは概ね周知であり、ここでは記載しない。
固体推進薬セクション２４は固体推進薬２６を含む。この例では、固体推進薬２６は細長いボア２８を画定する。ボア２８の形状は円筒形であってもよく、放射状のフィン型のスロットまたはその他の特徴を有してもよい。代替的に、固体推進薬２６はボアを有していなくてもよい。固体推進薬２６はモータケース３０内に中心軸Ａを中心として配置される。
点火時に固体推進薬２６は反応して、高温高圧ガス（燃焼ガス）を発生させる。燃焼ガスがボア２８を経てノズル２２を通して放出されて、推力を発生させる。
モータ２０は、ケース３０内に固体推進薬２６を注入するまたは鋳込むことによって製造される。例えば、固体推進薬２６の構成要素は、互いに混合され、次いで、ケースまたは適切なモールド内に注入または流し込まれる。次いで混合物が硬化され、それにより最終的な固体推進薬２６が所望の形状に形成される。
固体推進薬２６は、少なくともポリマベースのバインダシステムと、酸化剤と、を含む。特定の設計要件に応じて、固体推進薬２６は固体燃料も含みうる。固体推進薬２６のバインダシステムの構成成分は基礎となるプレポリマと、硬化剤（curative）と、を含む。硬化剤は基礎となるプレポリマと反応して架橋を形成し、この架橋は、例えば、バインダを弾性にし、蒸発を減らし、燃焼率を低減する役割を果たす。図２は、固体推進薬２６を形成するように互いに混合された種々の構成成分を概略的に示す。この例では、固体推進薬２６は燃料２６ａと、バインダシステム２６ｂと、過塩素酸酸化剤２６ｃと、を含む。任意選択的に、添加剤、条件剤などを追加で使用してもよい。
バインダシステム２６ｂは、ヒドロキシル基末端バインダシステムである。一例のヒドロキシル基末端バインダシステムは、プレポリマがヒドロキシル基末端ポリブタジエン（ＨＴＰＢ）である、ヒドロキシル基末端ポリブタジエンシステムである。こうしたシステムは、二量体ジイソシアネート（dimer diisocyanate, ＤＤＩ）の硬化剤を含み、燃焼率を抑制する利点を有する。一方、バインダシステム２６ｂは、ＤＤＩの代替品、高分子量ジオール（例えば、二量体ジオール（ＤＤ））、およびＤＤＩ以外の市販のジイソシアネートを含む。
その他の例のＤＤは、３０個を上回る炭素原子（＞Ｃ30）かつ５０個を下回る炭素原子（＜Ｃ50）を有する高分子量ジオールを含む。＞Ｃ30かつ＜Ｃ50であるジオールの例としては、これに限定しないが、Ｂａｋｅｒ Ｈｕｇｈｅｓ社によるジオールのＵｎｉｌｉｎシリーズ（ＵＮＩＬＩＮ（登録商標）３５０、ＵＮＩＬＩＮ（登録商標）４２５、ＵＮＩＬＩＮ（登録商標）５５０、ＵＮＩＬＩＮ（登録商標）７００、それぞれ約３７５，４６０，５５０，および７００ｇ／ｍｏｌのＭnを有する）およびＣｒｏｄａ Ｃｏａｔｉｎｇｓ社によるＰｒｉｐｏｌ ２０３３（ＣＡＳ１４７８５３−３２−５）を含む。一例として、ＤＤはＣＡＳ登録番号１４７８５３−３２−５に分類される。ＨＴＰＢの化学構造、および二量体ジオールの更なる例とそれに対応する化学構造を以下に示す。
ヒドロキシル基末端ポリブタジエン（ＨＴＰＢ）
二量体ジオール（非環式１）９，１０−ジノニル−１，１８−オクタデカンジオール（Dimer Diol (Acyclic 1) 9,10-Dinonyl-1,18-octadecanediol）
二量体ジオール（非環式２）３，４−ジヘキシル−９，１０−オクタジオールデカリン（Dimer Diol (Acyclic 2) 3,4-dihexyl-9,10-octadiol decalin）
二量体ジオール（芳香族）１−オクチル−２−ベンジル−５，６−オクタジオール（Dimer Diol (Aromatic) 1-Octyl-2-benzyl-5,6-octadiol）
二量体ジオール（単環式）１−オクチル−２−シクロヘキシル−５，６−オクタジオール（Dimer Diol (Monocyclic) 1-Octyl-2-cyclohexyl-5,6-octadiol）
バインダシステム２６ｂは、最も一般的には二量体のジイソシアネートを除く、ジイソシアネートをさらに含む。一例のジイソシアネートは、これに限定しないが、イソホロンジイソシアネート（ＩＰＤＩ）、ヘキサメチレンジイソシアネート（ＨＭＤＩ）、芳香族ジイソシアネートまたは芳香族ポリイソシアネート、および、脂肪族ジイソシアネートまたは脂肪族ポリイソシアネート（例えば、ＤＥＳＭＯＤＵＲ（登録商標）Ｎ−３２００）を含みうる。ジイソシアネートは、例えば上記の非環式１、非環式２、芳香族、または単環式などの、高分子量ジオールのヒドロキシル基、およびＨＴＰＢのヒドロキシル基と反応して、最終的なＨＴＰＢに架橋を形成する。一部の例では、高分子量ジオールおよびジイソシアネートから形成される架橋は、硬化剤として二量体ジイソシアネート（ＤＤＩ）を用いることにより形成される架橋と化学的に類似する。したがって、高分子量ジオールにより、固体推進薬を形成するように混合される構成成分の一つとしてＤＤＩを使用することなく、ＤＤＩに比較して同様のバインダ特性を得ることができる。一例の硬化されたバインダの化学構造を以下に示し、「Ｒ」は、上記の非環式１、非環式２、芳香族、または単環式二量体ジオールなどの、ＤＤである。
硬化されたバインダ（ＨＴＰＢ＋ＩＰＤＩ＋ＤＤ）
更なる例では、燃料２６ａは、アルミニウム、マグネシウム、またはホウ素のうち少なくとも一つを含み、バインダシステム２６ｂは、高分子量ジオールおよび硬化剤を有するヒドロキシル基末端ポリブタジエンバインダシステムであり、過塩素酸酸化剤２６ｃは、過塩素酸アンモニウム、過塩素酸ナトリウム、または過塩素酸カリウムのうち少なくとも一つを含む。追加の例では、燃料２６ａ、バインダシステム２６ｂ、および過塩素酸酸化剤は組み合わされた総重量を有し、高分子量ジオールは、総重量の０．５％〜１０％である。更なる例では、高分子量ジオールは、総重量の１％〜５％である。
特徴部の組合せを図示の例に示したが、本開示の様々な実施例の利点を実現するようにそれらの全てを必ずしも組み合わせる必要はない。換言すれば、本開示の実施例によって設計された装置は、図面の一つに示された特徴部の全て、または図面に概略的に示された部分の全てを必ずしも含む必要はない。さらに、一実施例の選択された特徴部を別の実施例の選択された特徴部と組み合わせてもよい。
上記の記載は本質的に限定的ではなく例示的なものである。開示の例に対する変更、修正が本開示から必ずしも逸脱することなく当業者にとって明らかとなるであろう。本開示に所与の法的保護の範囲は以下の特許請求の範囲を検討することによってのみ決定することができる。
Claims (17)
- ３０個を上回る炭素原子（＞Ｃ30）を有するとともに５０個を下回る炭素原子（＜Ｃ50）を有する高分子量ジオールを有し、かつ、二量体ジイソシアネート（ＤＤＩ）を除いた、ヒドロキシル基末端ポリブタジエン（ＨＴＰＢ）バインダシステムを備えた固体ロケット推進薬。
- 前記高分子量ジオールが、二量体ジオール（ＤＤ）であることを特徴とする請求項１に記載の固体ロケット推進薬。
- 過塩素酸酸化剤と燃料をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の固体ロケット推進薬。
- 前記過塩素酸酸化剤が、過塩素酸アンモニウム、過塩素酸ナトリウム、または過塩素酸カリウムのうち少なくとも一つを含み、前記燃料が、アルミニウム、マグネシウム、またはホウ素のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項３に記載の固体ロケット推進薬。
- 前記過塩素酸酸化剤が過塩素酸アンモニウムであり、前記燃料がアルミニウムであることを特徴とする請求項４に記載の固体ロケット推進薬。
- 前記過塩素酸酸化剤、前記燃料、および前記ヒドロキシル基末端ポリブタジエンバインダシステムが組み合わされた総重量を有し、前記高分子量ジオールが、前記総重量の０．１％〜１０％であることを特徴とする請求項３に記載の固体ロケット推進薬。
- 前記高分子量ジオールが、前記総重量の１％〜５％であることを特徴とする請求項６に記載の固体ロケット推進薬。
- 前記ヒドロキシル基末端ポリブタジエンバインダシステムが、ジイソシアネートまたはポリイソシアネートを含むことを特徴とする請求項１に記載の固体ロケット推進薬。
- 前記ジイソシアネートが、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、芳香族ジイソシアネート、芳香族ポリイソシアネート、脂肪族ジイソシアネート、および脂肪族ポリイソシアネートからなる群から選択されることを特徴とする請求項８に記載の固体ロケット推進薬。
- 過塩素酸酸化剤と燃料をさらに備え、前記過塩素酸酸化剤、前記燃料、および前記ヒドロキシル基末端ポリブタジエンバインダシステムが、組み合わされた総重量を有し、前記高分子量ジオールが、前記総重量の０．１％〜１０％であり、前記ヒドロキシル基末端ポリブタジエンバインダシステムが、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、芳香族ジイソシアネート、芳香族ポリイソシアネート、脂肪族ジイソシアネート、および脂肪族ポリイソシアネートからなる群から選択されたジイソシアネートを含むことを特徴とする請求項１に記載の固体ロケット推進薬。
- 過塩素酸酸化剤と、
燃料と、
二量体ジオール（ＤＤ）を有するヒドロキシル基末端バインダシステムと、
を備えた固体ロケット推進薬。 - 前記過塩素酸酸化剤と、前記燃料と、前記ヒドロキシル基末端バインダシステムが、組み合わされた総重量を有し、前記二量体ジオールが、前記総重量の０．１％〜１０％であることを特徴とする請求項１１に記載の固体ロケット推進薬。
- 前記過塩素酸酸化剤が、過塩素酸アンモニウム、過塩素酸ナトリウム、または過塩素酸カリウムのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１２に記載の固体ロケット推進薬。
- 前記燃料が、アルミニウム、マグネシウム、またはホウ素のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１３に記載の固体ロケット推進薬。
- 前記過塩素酸酸化剤が、過塩素酸アンモニウムを含むことを特徴とする請求項１３に記載の固体ロケット推進薬。
- 前記燃料が、アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１５に記載の固体ロケット推進薬。
- 前記二量体ジオールが、３０個を上回る炭素原子（＞Ｃ30）を有するとともに５０個を下回る炭素原子（＜Ｃ50）を有することを特徴とする請求項１１に記載の固体ロケット推進薬。
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