JP2020066542A - Propellant composition and self-igniting two-component propellant containing the same - Google Patents
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Description
本発明は、推進薬用組成物および自己着火二液式推進薬に関する。 The present invention relates to propellant compositions and self-igniting two-part propellants.
従来、衛星推進系の推進薬としては、燃料であるヒドラジン、モノメチルヒドラジンまたはジメチルヒドラジンと、酸化剤である四酸化二窒素と、を含むものが広く用いられている。このヒドラジン系の推進薬は、ヒドラジンと四酸化二窒素を混ぜるだけで着火・燃焼する自己着火性を有する。そのため、ヒドラジン系の推進薬は、点火器の不要な信頼性の高いスラスタを実現することが可能である（例えば、非特許文献１参照）。 Conventionally, as propellants for satellite propulsion systems, those containing hydrazine, monomethylhydrazine or dimethylhydrazine as fuel and nitrous oxide as an oxidizer have been widely used. This hydrazine-based propellant has a self-igniting property that ignites and burns only by mixing hydrazine and dinitrogen tetraoxide. Therefore, the hydrazine-based propellant can realize a highly reliable thruster that does not require an igniter (for example, see Non-Patent Document 1).
ヒドラジンまたはモノメチルヒドラジンと四酸化二窒素とは、毒性が高く、発癌性が疑われている物質である。そのため、これらの物質を取り扱う際には、空気供給型保護スーツを着用する必要がある。また、欧州では、ヒドラジン等の毒性が高い物質や発癌性のある物質の使用を規制する動きがあり、今後、世界的な動向となる可能性がある。 Hydrazine or monomethylhydrazine and dinitrogen tetroxide are highly toxic and suspected carcinogens. Therefore, it is necessary to wear an air-fed protective suit when handling these substances. In Europe, there is a movement to regulate the use of highly toxic substances such as hydrazine and substances with carcinogenicity, and there is a possibility that there will be a global trend in the future.
毒性を下げた推進薬としては、例えば、主燃料である、アルコール類、ケトン類およびアミン類からなる群から選択される少なくとも１種と、酸化剤である過酸化水素水と、燃焼助剤である金属成分を有する錯体と、を含むものが知られている（例えば、特許文献１参照）。 As the propellant with reduced toxicity, for example, at least one selected from the group consisting of alcohols, ketones and amines, which is the main fuel, hydrogen peroxide solution that is an oxidizer, and a combustion aid, are used. A complex containing a complex having a certain metal component is known (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、特許文献１に記載されている推進薬は、毒性の点において、ヒドラジン系の推進薬よりも優れている（低毒性を実現している）ものの、自己着火性の点においては充分な性能が得られていなかった。 However, although the propellant described in Patent Document 1 is superior to the hydrazine-based propellant in terms of toxicity (has low toxicity), it has sufficient performance in terms of self-ignitability. Was not obtained.
このように、毒性物質使用規制の動きも高まりつつある中、低毒性と自己着火性とを両立する推進薬、および推進薬用組成物が求められていた。 As described above, while the use of toxic substances is being regulated, propellants and compositions for propellants having both low toxicity and self-ignitability have been demanded.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、低毒性であり、自己着火性に優れる自己着火二液式推進薬、およびこれに含有される推進薬用組成物を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, has a low toxicity, and an object of the invention is to provide a self-ignition two-component propellant having excellent self-ignitability, and a propellant composition contained therein. And
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明は、推進薬用組成物であって、３−メチルアミノプロピルアミンおよび１，２−ジアミノプロパンの少なくとも一方と、還元剤と、を含有することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention proposes the following means.
The present invention is a propellant composition, which is characterized by containing at least one of 3-methylaminopropylamine and 1,2-diaminopropane, and a reducing agent.
本発明は、上記記載の推進薬用組成物と、過酸化水素水と、を含有する自己着火二液式推進薬も提供する。 The present invention also provides a self-ignition two-component propellant containing the above-described propellant composition and hydrogen peroxide solution.
本発明によれば、低毒性の推進薬用組成物、低毒性で自己着火性に優れる自己着火二液式推進薬を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a low-toxic propellant composition and a low-toxic self-ignition two-component propellant having excellent self-ignitability.
本発明の推進薬用組成物および自己着火二液式推進薬の実施の形態について説明する。
なお、以下の実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
Embodiments of the propellant composition and the self-ignition two-component propellant of the present invention will be described.
It should be noted that the following embodiments are specifically described for better understanding of the gist of the invention, and do not limit the invention unless otherwise specified.
［推進薬用組成物］
本実施形態の推進薬用組成物は、３−メチルアミノプロピルアミンおよび１，２−ジアミノプロパンの少なくとも一方と、還元剤と、を含有する。
[Composition for propellant]
The propellant composition of this embodiment contains at least one of 3-methylaminopropylamine and 1,2-diaminopropane, and a reducing agent.
３−メチルアミノプロピルアミンおよび１，２−ジアミノプロパンは、後述する自己着火二液式推進薬の主燃料となる主燃料構成物質である。
主燃料構成物質は、１種を単独で用いてもよく、２種を組み合わせて用いてもよい。
3-Methylaminopropylamine and 1,2-diaminopropane are the main fuel constituents that are the main fuels of the self-ignition two-component propellant described below.
As the main fuel constituent substance, one type may be used alone, or two types may be used in combination.
３−メチルアミノプロピルアミンと１，２−ジアミノプロパンとの理論比推力（ロケットエンジンの推進剤効率を示す指標であり、推進剤の質量流量に対する推力の大きさ）を比較すると、水酸化ホウ素ナトリウムを１０重量％添加した場合に、３−メチルアミノプロピルアミンの方がわずかに優れていることから、３−メチルアミノプロピルアミンの方が推進薬用主燃料構成物質としてより好ましい場合がある。 Comparing the theoretical specific thrusts of 3-methylaminopropylamine and 1,2-diaminopropane (an index showing the propellant efficiency of a rocket engine, the magnitude of the thrust with respect to the mass flow rate of the propellant), sodium borohydride In some cases, 3-methylaminopropylamine is slightly superior to 3-methylaminopropylamine when added in an amount of 10% by weight, so that 3-methylaminopropylamine may be more preferable as a main fuel constituent for propellant.
３−メチルアミノプロピルアミンおよび１，２−ジアミノプロパンは、常温（２３℃）で液体である。 3-Methylaminopropylamine and 1,2-diaminopropane are liquids at room temperature (23 ° C).
これらの物質以外にも、推進薬用主燃料構成物質としては、１，２−ジアミノシクロヘキサン、ビス（２−メトキシメチル）アミン、３−メトシキプロピルアミン、１，４−ブタンジオールビス（３−アミノプロピル）エーテル、エチレングリコールビス（３−アミノプロピル）エーテル、ジエチレングリコールビス（３−アミノプロピル）エーテル、Ｎ，Ｎ´−ジメチルエチレン尿素（ＤＭＩ）、Ｎ，Ｎ´−ジメチルプロピレン尿素等も用いることはできる。
しかしながら、本実施形態においては、自己着火性に優れる観点から、３−メチルアミノプロピルアミン、または１，２−ジアミノプロパンを用いることが好ましい。
In addition to these substances, 1,2-diaminocyclohexane, bis (2-methoxymethyl) amine, 3-methoxypropylamine, 1,4-butanediol bis (3-amino) are used as the main fuel constituents for propellants. Propyl) ether, ethylene glycol bis (3-aminopropyl) ether, diethylene glycol bis (3-aminopropyl) ether, N, N′-dimethylethyleneurea (DMI), N, N′-dimethylpropyleneurea, etc. may also be used. it can.
However, in the present embodiment, it is preferable to use 3-methylaminopropylamine or 1,2-diaminopropane from the viewpoint of excellent self-ignitability.
本実施形態における低毒性とは、毒劇物法において「毒物」に非該当となる基準（急性経口毒性５０ｍｇ／ｋｇ以上、急性経皮毒性２００ｍｇ／ｋｇ以上、急性吸入毒性２ｍｇ／Ｌ（４ｈｒ）以上）を満たし、物質の変異原性を評価するためのバイオアッセイ試験法であるエームズ試験（Ａｍｅｓ ｔｅｓｔ）において陰性であることをいう。 Low toxicity in the present embodiment refers to criteria that do not correspond to "poisonous substances" in the Poisonous and Deleterious Substances Act (acute oral toxicity 50 mg / kg or more, acute dermal toxicity 200 mg / kg or more, acute inhalation toxicity 2 mg / L (4 hr). The above means that the substance is negative in the Ames test, which is a bioassay test method for evaluating the mutagenicity of a substance.
還元剤は、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウムおよび水素化ホウ素リチウムを含む群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。空気に対して安定であり、取り扱いやすく、コストが低い点から、水素化ホウ素ナトリウムがより好ましい。
還元剤は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
The reducing agent is preferably at least one selected from the group containing sodium borohydride, potassium borohydride and lithium borohydride. Sodium borohydride is more preferable because it is stable to air, easy to handle, and low in cost.
As the reducing agent, one type may be used alone, or two or more types may be used in combination.
本実施形態における還元剤は、常温（２３℃）で固体（粉末）である。 The reducing agent in this embodiment is a solid (powder) at room temperature (23 ° C.).
本実施形態の推進薬用組成物における還元剤の濃度は、７．５重量％以上であることが好ましい。
７．５重量％以上であれば、１０ｍｓｅｃ程度もしくは１０ｍｓｅｃを下回る着火遅れで、推進薬用組成物を含む自己着火二液式推進薬が確実に自己着火する傾向にある。
また、還元剤の濃度は、１０重量％以上であることがより好ましい。１０重量％以上であれば、着火遅れ時間がより低減する傾向にあり、推進薬用組成物を含む自己着火二液式推進薬がより確実に自己着火する傾向にある。
なお、還元剤の濃度は、５重量％以下であると、着火遅れが２０ｍｓｅｃ以上になるか、もしくは自己着火二液式推進薬の着火が不安定となる傾向にあることから、好ましくない。
The concentration of the reducing agent in the propellant composition of this embodiment is preferably 7.5% by weight or more.
If it is 7.5% by weight or more, the self-ignition two-component propellant containing the propellant composition tends to surely self-ignite with an ignition delay of about 10 msec or less than 10 msec.
Further, the concentration of the reducing agent is more preferably 10% by weight or more. When it is 10% by weight or more, the ignition delay time tends to be further shortened, and the self-ignition two-component propellant containing the propellant composition tends to be more surely self-ignited.
When the concentration of the reducing agent is 5% by weight or less, the ignition delay becomes 20 msec or more, or the ignition of the self-ignition two-component propellant tends to be unstable, which is not preferable.
本実施形態の推進薬用組成物における還元剤の濃度は、過酸化水素水の濃度によって設定することも好ましい態様である。着火遅れの低減は、酸化剤である過酸化水素水の濃度にも依存する傾向にあるためである。 It is also a preferable aspect that the concentration of the reducing agent in the propellant composition of the present embodiment is set by the concentration of hydrogen peroxide solution. This is because the reduction of ignition delay tends to depend on the concentration of hydrogen peroxide solution which is an oxidant.
本実施形態の推進薬用組成物における還元剤の濃度の上限は、特に数値としては設けていないが、推進薬用主燃料構成物質に溶解する最大濃度が実質的上限となる。 The upper limit of the concentration of the reducing agent in the propellant composition of the present embodiment is not particularly set as a numerical value, but the maximum concentration that dissolves in the propellant main fuel constituent substance is substantially the upper limit.
本実施形態の推進薬用組成物の製造方法は、特に限定されず、例えば、液体の主燃料に、固体の還元剤を加えて、撹拌、混合する方法が挙げられる。 The method for producing the propellant composition of the present embodiment is not particularly limited, and examples thereof include a method of adding a solid reducing agent to a liquid main fuel, and stirring and mixing the mixture.
本実施形態の推進薬用組成物によれば、３−メチルアミノプロピルアミンおよび１，２−ジアミノプロパンの少なくとも一方と、還元剤と、を含有するため、低毒性であり、自己着火性に優れる自己着火二液式推進薬を提供することができる。 According to the propellant composition of the present embodiment, since it contains at least one of 3-methylaminopropylamine and 1,2-diaminopropane and a reducing agent, it has low toxicity and self-ignitability. An ignition two-component propellant can be provided.
［自己着火二液式推進薬］
本実施形態の自己着火二液式推進薬は、本実施形態の上記推進薬用組成物と、過酸化水素水と、を含有する。
[Self-ignition two-component propellant]
The self-ignition two-component propellant of this embodiment contains the above-mentioned propellant composition of this embodiment and hydrogen peroxide solution.
本実施形態の自己着火二液式推進薬において、過酸化水素水は酸化剤として機能する。 In the self-ignition two-component propellant of this embodiment, the hydrogen peroxide solution functions as an oxidizing agent.
過酸化水素水における過酸化水素の濃度は、６０重量％以上であることが好ましく、８０重量％以上であることがより好ましい。過酸化水素水における過酸化水素の濃度の上限は、９５重量％以下であってもよく、９０重量％以下であってもよい。
過酸化水素の濃度が６０重量％以上であれば、自己着火二液式推進薬は自己着火性に優れる傾向にある。
The concentration of hydrogen peroxide in the hydrogen peroxide solution is preferably 60% by weight or more, and more preferably 80% by weight or more. The upper limit of the concentration of hydrogen peroxide in the hydrogen peroxide solution may be 95% by weight or less, or 90% by weight or less.
When the concentration of hydrogen peroxide is 60% by weight or more, the self-ignition two-component propellant tends to have excellent self-ignitability.
本実施形態における自己着火性とは、点火器による点火なしに着火することをいう。また、自己着火性に優れるとは、着火遅れ試験による着火遅れが１０ｍｓｅｃ以下であることをいう。着火遅れとは、推進薬用組成物と過酸化水素水が接触してから、輝炎が発生するまでの時間のことである。 The self-ignitability in this embodiment refers to ignition without ignition by the igniter. Further, "excellent in self-ignitability" means that the ignition delay by the ignition delay test is 10 msec or less. The ignition delay is the time from the contact between the propellant composition and the hydrogen peroxide solution to the generation of a luminous flame.
着火遅れ試験は、一例として、以下のようにして行われる。
試験管に３０μＬの推進薬用組成物を採取し、マイクロピペットにより、推進薬用組成物と同体積の８７．５重量％濃度の過酸化水素水を２０ｃｍ上方から推進薬用組成物に滴下して、２液を混合させ、反応の様子を高速度カメラにて観察する。これにより、２液の接触から火炎発生までの所要時間（着火遅れ）を計測する。
The ignition delay test is performed as follows, for example.
30 μL of the propellant composition was collected in a test tube, and a hydrogen peroxide solution having the same volume as the propellant composition and a concentration of 87.5% by weight was dropped onto the propellant composition from 20 cm above with a micropipette, and 2 The liquids are mixed and the reaction state is observed with a high-speed camera. With this, the time required from the contact of the two liquids to the flame generation (ignition delay) is measured.
本実施形態の自己着火二液式推進薬において、過酸化水素水と推進薬用組成物の混合比は、推進薬用組成物に対する前記過酸化水素水の混合割合が、質量比で２〜７であることが好ましく、質量比で４〜６であることがより好ましい。
過酸化水素水と推進薬用組成物の混合比が、上記の範囲内であれば、自己着火二液式推進薬は、比推力（燃費）に優れる。
過酸化水素水と推進薬用組成物の混合方法は、一方（例えば、過酸化水素水）を他方（例えば、推進薬用組成物）へ添加してもよく、混合容器へ過酸化水素水と推進薬用組成物とを流し込んで混合してもよく、混合方法は特に限定されない。
In the self-ignition two-component propellant of the present embodiment, the mixing ratio of the hydrogen peroxide solution and the propellant composition is such that the mixing ratio of the hydrogen peroxide solution to the propellant composition is 2 to 7 by mass. Preferably, the mass ratio is more preferably 4-6.
When the mixing ratio of the hydrogen peroxide solution and the propellant composition is within the above range, the self-ignition two-component propellant is excellent in specific thrust (fuel consumption).
Regarding the method for mixing the hydrogen peroxide solution and the propellant composition, one (for example, hydrogen peroxide solution) may be added to the other (for example, the propellant composition), and the hydrogen peroxide solution and the propellant composition may be added to the mixing container. The composition may be poured and mixed, and the mixing method is not particularly limited.
本実施形態の自己着火二液式推進薬は、低毒性であり自己着火性に優れることから、人工衛星等のスラスタ用燃料として用いることが好ましく、点火器の不要な信頼性の高いスラスタを実現することが可能である。 Since the self-ignition two-component propellant of the present embodiment has low toxicity and excellent self-ignitability, it is preferably used as a fuel for thrusters such as artificial satellites, and a highly reliable thruster that does not require an igniter is realized. It is possible to
本実施形態の自己着火二液式推進薬は、人工衛星等のスラスタ用燃料に限られず、低毒性であり自己着火性に優れることが求められる技術分野に好適に用いられることができる。 The self-ignition two-component propellant of the present embodiment is not limited to thruster fuels such as artificial satellites, but can be suitably used in the technical field that is required to have low toxicity and excellent self-ignitability.
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.
［実施例１］
３−メチルアミノプロピルアミン９０重量％に、水素化ホウ素ナトリウム粉末１０重量％を溶解させて推進薬用組成物を調製した。
この推進薬用組成物３０μＬに対して、濃度８７．５重量％の過酸化水素水３０μＬを滴下したところ、推進薬用組成物と過酸化水素水が接触した直後に、着火、燃焼した。
高速度カメラによる観察の結果、着火遅れは８．６ｍｓｅｃであった。
また、３−メチルアミノプロピルアミンの毒性について、表１に示す。
[Example 1]
A propellant composition was prepared by dissolving 10% by weight of sodium borohydride powder in 90% by weight of 3-methylaminopropylamine.
When 30 μL of a hydrogen peroxide solution having a concentration of 87.5% by weight was added dropwise to 30 μL of the propellant composition, the composition was ignited and burned immediately after the contact of the propellant composition with the hydrogen peroxide solution.
As a result of observation with a high-speed camera, the ignition delay was 8.6 msec.
The toxicity of 3-methylaminopropylamine is shown in Table 1.
［実施例２］
１，２−ジアミノプロパン９０重量％に、水素化ホウ素ナトリウム粉末１０重量％を溶解させて推進薬用組成物を調製した。
この推進薬用組成物３０μＬに対して、濃度８７．５重量％の過酸化水素水３０μＬを滴下したところ、推進薬用組成物と過酸化水素水が接触した直後に、着火、燃焼した。
高速度カメラによる観察の結果、着火遅れは８．３ｍｓｅｃであった。
また、１，２−ジアミノプロパンの毒性について、表１に示す。
[Example 2]
A propellant composition was prepared by dissolving 10% by weight of sodium borohydride powder in 90% by weight of 1,2-diaminopropane.
When 30 μL of a hydrogen peroxide solution having a concentration of 87.5% by weight was added dropwise to 30 μL of the propellant composition, the composition was ignited and burned immediately after the contact of the propellant composition with the hydrogen peroxide solution.
As a result of observation with a high-speed camera, the ignition delay was 8.3 msec.
Table 1 shows the toxicity of 1,2-diaminopropane.
［参考例］
また、ヒドラジンの毒性について、表１に示す。
[Reference example]
Table 1 shows the toxicity of hydrazine.
なお、２−ジアミノシクロヘキサン、ビス（２−メトキシメチル）アミン、３−メトシキプロピルアミン、１，４−ブタンジオールビス（３−アミノプロピル）エーテル、エチレングリコールビス（３−アミノプロピル）エーテル、ジエチレングリコールビス（３−アミノプロピル）エーテル、Ｎ，Ｎ´−ジメチルエチレン尿素（ＤＭＩ）、Ｎ，Ｎ´−ジメチルプロピレン尿素、についても、実施例１、２と同様に着火試験を行い、自己着火性は実施例１、２よりも劣るが推進薬として使用し得ることを確認した。 In addition, 2-diaminocyclohexane, bis (2-methoxymethyl) amine, 3-methoxypropylamine, 1,4-butanediol bis (3-aminopropyl) ether, ethylene glycol bis (3-aminopropyl) ether, diethylene glycol With respect to bis (3-aminopropyl) ether, N, N′-dimethylethyleneurea (DMI), and N, N′-dimethylpropyleneurea, an ignition test was conducted in the same manner as in Examples 1 and 2, and the self-ignitability was Although inferior to Examples 1 and 2, it was confirmed that it can be used as a propellant.
以上の結果から、実施例１および２は、低毒性であり、自己着火性に優れる自己着火二液式推進薬が得られることが分かった。 From the above results, it was found that in Examples 1 and 2, self-ignition two-component propellants having low toxicity and excellent self-ignitability were obtained.
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