JP4537543B2

JP4537543B2 - 液体酸化剤及びハイブリッド推進薬

Info

Publication number: JP4537543B2
Application number: JP2000201567A
Authority: JP
Inventors: 幸男滝下; 秀文芝本; 敏男恩田; 卓雄桑原
Original assignee: 細谷火工株式会社
Priority date: 2000-07-03
Filing date: 2000-07-03
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2020-07-03
Also published as: JP2002020191A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体酸化剤及びハイブリッド推進薬に関し、特に、取扱が容易であり、ハイブリッドロケット及び液体ロケットに用いられ、従来から使用されている液体酸化剤に劣らない大きな密度比推力を発生させることのできる液体酸化剤、及びハイブリッド推進薬に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
飛翔体の推力源として利用される主な推進薬として、固体推進薬、液体推進薬、及びハイブリッド推進薬がある。
【０００３】
固体推進薬には、固体酸化剤と固体燃料とが使用される。この固体推進薬は、比較的に開発が容易であること、製作費が安価であること、取り扱いが簡単なこと等の特長を有している。したがって、固体推進薬は、人工衛星打ち上げ用ブースター及び気象衛星観測用ロケット等に使用される。
【０００４】
液体推進薬には、液体酸化剤と液体燃料とが使用される。この液体推進薬は、大きな比推力を発生させることができること、高性能エンジンに適用するのが容易であること、燃焼の中断及び再点火等による推力の制御及び方向制御が容易であること、長秒時の連続燃焼が可能であること等の特長を有している。したがって、この液体推進薬は、人工衛星打ち上げ用ブースター及び姿勢制御用ロケット等に使用される。
【０００５】
ハイブリッド推進薬には、液体酸化剤と固体燃料、或いは固体酸化剤と液体燃料とが使用される。このハイブリッド推進薬を使用するロケットエンジンは、液体推進薬を使用するロケットエンジンに比べて１系統の液体関係部品しか使用しないので、ポンプ及び配管が少ないと言う利点がある。また、このハイブリッド推進薬は、固体推進薬とは異なり、グレイン単独では燃焼しないので、取り扱いが容易で安全である。しかも、このハイブリッド推進薬は、固体推進薬より高い比推力が得られ、液体推進薬より高い密度比推力が得られる等の特長を有する。
【０００６】
従来の液体酸化剤には、酸化能力の大きい物質である液体酸素（ＬＯ₂）、四酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ₄）、硝酸ヒドロキシルアンモニウム（ＮＨ₃（ＯＨ）ＮＯ₃）等が用いられている。
【０００７】
しかしながら、液体酸素は大気圧下では９０Ｋで沸騰するので極低温に保持しなければならない。したがって、液体酸素を酸化剤として使用するときには、液体酸素を収容するタンク、配管、バルブ等の全ての装置を断熱しなくてはならない。
【０００８】
また、四酸化二窒素は、毒性が強く、高々５ｐｐｍの濃度で人体に被害をおよぼすので、取扱者の保護には、防毒マスクだけでは不十分であり、取扱者に新鮮な空気を供給するエアーライン等が必要である故に、取り扱い難いと言う難点がある。
【０００９】
硝酸ヒドロキシルアンモニウム水溶液は、四酸化二窒素程の強い毒性を有しないので、飲み込んだり、蒸気を吸引したりしない限り、人体に被害を及ぼすことは殆ど無いから、四酸化二窒素に比較して安全性が遙かに高く、又、取り扱いの際にはエアーラインのような特別な設備は不要であり、合羽と防毒マスクで充分であるから取り扱いが容易である。しかし、硝酸ヒドロキシルアンモニウム水溶液には、液体酸素及び四酸化二窒素に比べて密度比推力が低くて推進薬性能が劣ると言う問題がある。
【００１０】
本発明は、このような問題点を解消することを目的とする。この発明の目的は、液体酸素のように極低温に貯蔵する必要がなく、従来から使用されている液体酸化剤例えば液体酸素及び四酸化二窒素に劣らない大きな密度比推力を発生させることができ、しかも安全であり、取り扱いにエアーライン等の特別な設備の不要な液体酸化剤を提供することをにある。
【００１１】
本発明の目的は、取り扱いが容易であり、密度比推進力が大きいハイブリッドロケット用及び液体ロケット用の液体酸化剤を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は取り扱いが容易で、密度比推進力の大きいハイブリッド推進薬を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決することを目的とする本発明は、
硝酸ヒドロキシルアンモニウムと、ヒドラジニウムニトロフォルメイト、アンモニウムジニトラミド、及び過酸化水素からなる群より選択された１種以上の酸化剤とを含有することを特徴とする液体酸化剤であり、
好適な液体酸化剤は、硝酸ヒドロキシルアンモニウムとヒドラジニウムニトロフォルメイトとを含有し、
他の好適な液体酸化剤は、ヒドラジニウムニトロフォルメイトの含有量が１〜３５重量％である。
【００１４】
前記課題を解決するための他の発明は、固体燃料５〜１５重量％と前記液体酸化剤９５〜８５重量％とを有することを特徴とするハイブリッド推進薬であり、
このハイブリッド推進薬の好適な態様においては、前記固体燃料が末端水酸基ポリブタジエン、末端カルボキシル基ポリブタジエン、ポリウレタン及びアジ化ポリマーからなる群より選択された少なくとも１種の高分子である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明において、硝酸ヒドロキシルアンモニウムと混合できる酸化剤としては、例えばヒドラジニウムニトロフォルメイト、アンモニウムジニトラミド、硝酸アンモニウム、及び過酸化水素が挙げられる。前記酸化剤は、１種のみを用いてもよいし、２種以上を組み合わせてもよい。
【００１６】
本発明の液体酸化剤としては、例えば硝酸ヒドロキシルアンモニウム−ヒドラジニウムニトロフォルメイト系液体酸化剤、硝酸ヒドロキシルアンモニウム−硝酸アンモニウム系液体酸化剤、硝酸ヒドロキシルアンモニウム−アンモニウムジニトラミド系液体酸化剤、及び硝酸ヒドロキシルアンモニウム−過酸化水素系液体酸化剤等の２成分系液体酸化剤が挙げられる。又、硝酸ヒドロキシルアンモニウム−ヒドラジニウムニトロフォルメイト−硝酸アンモニウム系液体酸化剤、硝酸ヒドロキシルアンモニウム−ヒドラジニウムニトロフォルメイト−アンモニウムジニトラミド系液体酸化剤、硝酸ヒドロキシルアンモニウム−ヒドラジニウムニトロフォルメイト−過酸化水素系液体酸化剤等の３成分系液体酸化剤等も本発明の液体酸化剤に含まれる。
【００１７】
硝酸ヒドロキシルアンモニウムは、ＮＨ₃（ＯＨ）ＮＯ₃で示される化学構造を有し、３８．４℃で融解する白色針状結晶であり、酸素バランス、即ち使用可能な酸素の量は、３３．３３％である。前記硝酸ヒドロキシルアンモニウムは、強い潮解性を有し、常温では空気中の水分を吸収してシロップ状の濃厚水溶液を形成する。
【００１８】
したがって、本発明においては、硝酸ヒドロキシルアンモニウムの濃厚水溶液を用いることができる。前記濃厚水溶液中の硝酸ヒドロキシルアンモニウムの濃が５０〜９９重量％、特に８０〜９５重量％の範囲であれば、前記濃厚水溶液が常温で安定な液体状である故に、本発明の液体酸化剤の調製が容易であり、又、液体推進薬及びハイブリッド推進薬に用いたときに、燃焼温度が低下し過ぎて比推力及び／又は密度比推力が大きく低下するということがないので好ましい。
【００１９】
ヒドラジニウムニトロフォルメイトは、Ｎ₂Ｈ₅Ｃ（ＮＯ₂）₃で示される化学構造を有し、融点約１２０℃、分解点１３０℃（昇温速度２０℃／min）、酸素バランス１３．１１％の黄色針状結晶である。
【００２０】
又、アンモニウムジニトラミドは、ＮＨ₄Ｎ（ＮＯ₂）₂で示される化学構造を有し、融点９２℃、分解点２０８℃（昇温速度２０℃／min）、酸素バランス２５．８％の無色の結晶である。
【００２１】
前記２成分系液体酸化剤は、例えば、前記硝酸ヒドロキシルアンモニウム濃厚水溶液と、ヒドラジニウムニトロフォルメイト、アンモニウムジニトラミド、硝酸アンモニウム、及び過酸化水素の何れかとを混合することにより調製できる。
前記溶解は、通常の手順に従って行うことができる。
【００２２】
又、前記３成分系液体酸化剤は、例えば、ヒドラジニウムニトロフォルメイト、アンモニウムジニトラミド、硝酸アンモニウム、及び過酸化水素から選択された２種の酸化剤と、前記硝酸ヒドロキシルアンモニウム濃厚溶液とを混合することにより調製できる。前記２種の酸化剤は、何れか一方を先に、硝酸ヒドロキシルアンモニウム濃厚溶液に溶解させてもよく、又、両方を同時に添加して硝酸ヒドロキシルアンモニウム濃厚溶液に溶解させてもよい。
【００２３】
本発明の液体酸化剤中のヒドラジニウムニトロフォルメイト、アンモニウムジニトラミド、硝酸アンモニウム、及び過酸化水素の最適な含有量は、使用する硝酸ヒドロキシルアンモニウム濃厚水溶液中の硝酸ヒドロキシルアンモニウムの濃度によって変化するが、例えば、硝酸ヒドロキシルアンモニウムの濃度が５０〜９９重量％である硝酸ヒドロキシルアンモニウム水溶液を用いた場合には以下の通りである。
【００２４】
例えば、２成分系液体酸化剤の内、硝酸ヒドロキシルアンモニウム−ヒドラジニウムニトロフォルメイト系液体酸化剤においては、ヒドラジニウムニトロフォルメイトの含有量は、前記濃度の硝酸ヒドロキシルアンモニウム水溶液とヒドラジニウムニトロフォルメイトとの合計量に対して１〜３５重量％の範囲、特に１５〜３５重量％の範囲が好ましい。
【００２５】
硝酸ヒドロキシルアンモニウム−硝酸アンモニウム系液体酸化剤においては、硝酸アンモニウムの含有量は、前記濃度の硝酸ヒドロキシルアンモニウム水溶液と硝酸アンモニウムとの合計量に対して１〜５０重量％の範囲、特に２５〜５０重量％の範囲が好ましい。
【００２６】
硝酸ヒドロキシルアンモニウム−アンモニウムジニトラミド系液体酸化剤においては、アンモニウムジニトラミドの含有量は、前記濃度の硝酸ヒドロキシルアンモニウム水溶液とアンモニウムジニトラミドとの合計量に対して１〜３５重量％の範囲、特に５〜１０重量％の範囲が好ましい。
【００２７】
硝酸ヒドロキシルアンモニウム−過酸化水素系液体酸化剤においては、過酸化水素の含有量は、前記濃度の硝酸ヒドロキシルアンモニウム水溶液と過酸化水素との合計量に対して５〜５０重量％の範囲、特に１０〜３０重量％の範囲が好ましい。
【００２８】
又、３成分系液体酸化剤の内、硝酸ヒドロキシルアンモニウム−ヒドラジニウムニトロフォルメイト−硝酸アンモニウム系液体酸化剤においては、例えば前記濃度の硝酸ヒドロキシルアンモニウム水溶液とヒドラジニウムニトロフォルメイトと硝酸アンモニウムとの合計量に対し、ヒドラジニウムニトロフォルメイトは、１〜３５重量％の範囲が好ましく、特に５〜２５重量％の範囲が好ましく、硝酸アンモニウムは、５〜５０重量％の範囲が好ましく、特に５〜２５重量％の範囲が好ましい。
【００２９】
本発明に係る液体酸化剤は、液体推進薬及びハイブリッド推進薬における酸化剤として用いることができる。
【００３０】
ハイブリッド推進薬として本発明の液体酸化剤と組み合わせることのできる固体燃料としては、例えば、末端水酸基ポリブタジエン及び末端カルボキシル基ポリブタジエン等のポリブタジエン系樹脂、ポリエステル型ポリウレタン及びポリエーテル型ポリウレタン等のポリウレタン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びエチレン・プロピレン共重合体等のポリオレフィン系樹脂、アクリロニトリルホモポリマー及びアクリロニトリルコポリマー等のポリアクリロニトリル系樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリメチルメタクリレート等のポリ（メタ）アクリル酸エステル系樹脂、ポリイソブチレン、並びにエポキシ樹脂等の炭化水素系ポリマー及びアジ化ポリマーが用いられる。
【００３１】
前記炭化水素系ポリマーの内では、分子中の水素原子／炭素原子比が高く、高い比推力が期待できる点、及び機械的特性に優れている点から、ポリブタジエン系樹脂、ポリウレタン系樹脂、及びポリオレフィン系樹脂が好ましい。
【００３２】
前記炭化水素系ポリマー及びアジ化ポリマーは、適宜の架橋剤で架橋してもよい。例えば、前記ポリブタジエン系樹脂の内、末端水酸基ポリブタジエンはイミン系硬化剤又はエポキシ系硬化剤で硬化させることができ、末端カルボキシル基ポリブタジエンはジイソシアネート系硬化剤で硬化させることができる。又、前記ポリオレフィン系樹脂の内、ポリエチレンは、例えば放射線照射、電子線照射、及び過酸化物との反応等により架橋させることができる。
【００３３】
前記炭化水素系樹脂には、アルミニウム、マグネシウム、硼素、及びベリリウム等の金属の粉末、並びにシクロテトラメチレンテトラニトラミン、シクロトリメチレンニトラミン、及びニトログアニジン等のニトラミン系化合物等を配合できる。
【００３４】
更に、ジルコニウム及び炭化ジルコニウム等の振動燃焼抑制剤等も配合できる。
【００３５】
前記固体燃料としては、更に、水素化リチウム、水素化ナトリウム、水素化カリウム、水素化ベリリウム、水素化硼素、水素化リチウムアルミニウム、水素化硼素ナトリウム、及び水素化硼素カリウム等の金属水素化物、並びにリチウムアミド、ナトリウムアミド、及びカリウムアミド等の金属アミド系化合物等が挙げられる。
【００３６】
更に、前記金属水素化物及び金属アミド系化合物からなる群より選択された１以上の化合物を前記炭化水素系樹脂に配合した燃料も前記固体燃料として用いることができる。
【００３７】
本発明の液体酸化剤と前記固体燃料との重量比は、実験的に定めることができる。例えば、固体燃料として末端水酸基ポリブタジエンを用いる場合には、本発明の液体酸化剤と前記末端水酸基ポリブタジエンとの合計量に対して、前記末端水酸基ポリブタジエンを５〜１５重量％用いることが好ましい。換言すると、固体燃料例えば末端水酸基ポリブタジエン５〜１５重量％と本発明に係る液体酸化剤９５〜８５重量％とを含有するハイブリッド推進薬が、好適である。
【００３８】
液体推進薬における液体燃料としては、常温で液体である液体燃料が使用できる。
【００３９】
【実施例】
（実施例１）
硝酸ヒドロキシルアンモニウム（ＨＡＮ）の９０重量％水溶液６５重量％に、ヒドラジニウムニトロフォルメイト（ＨＮＦ）３５重量％を常温で溶解させ、均一な溶液状の液体酸化剤を得た。
【００４０】
前記液体酸化剤を酸化剤とし、末端水酸基ポリブタジエンを燃料として、下記の表１に示すように、前記酸化剤と前記燃料との比率を変化させて５．０ＭＰａの燃焼圧で燃焼させ、最適開口比での密度比推力（ρIsp）を求めた。結果を表１に示す。
（実施例２）
硝酸ヒドロキシルアンモニウムの９０重量％水溶液５０重量％に、硝酸アンモニウム（ＡＮ）５０重量％を常温で溶解させ、均一な溶液状の液体酸化剤を得た。
【００４１】
前記液体酸化剤につき、実施例１と同様にして燃焼試験を行い、密度比推力（ρIsp）を求めた。結果を表１に示す。
（実施例３）
硝酸ヒドロキシルアンモニウム（ＨＡＮ）の９０重量％水溶液５０重量％に、アンモニウムジニトラミド（ＡＤＮ）５０重量％を常温で溶解させ、均一な溶液状の液体酸化剤を得た。
【００４２】
前記液体酸化剤につき、実施例１と同様にして燃焼試験を行い、密度比推力（ρIsp）を求めた。結果を表１に示す。
（実施例４）
硝酸ヒドロキシルアンモニウムの９０重量％水溶液５０重量％に、過酸化水素５０重量％を常温で溶解させ、均一な溶液状の液体酸化剤を得た。
【００４３】
前記液体酸化剤につき、実施例１と同様にして燃焼試験を行い、密度比推力（ρIsp）を求めた。結果を表２に示す。
（比較例１）
酸化剤として、硝酸ヒドロキシルアンモニウムの９０重量％水溶液を用いた以外は、実施例１〜４と同様にして燃焼試験を行い、密度比推力（ρIsp）を求めた。結果を表２に示す。
（比較例２）
酸化剤として四酸化二窒素を用いた以外は、実施例１〜４と同様にして燃焼試験を行い、密度比推力（ρIsp）を求めた。結果を表２に示す。
【００４４】
【表１】

【００４５】
【表２】

【００４６】
実施例１〜４と比較例１〜２との結果を図１及び図２に示す。実施例１〜４と比較例１〜２との比較から、本発明の液体酸化剤を用いた場合において、燃料１０．０〜２０．０重量％、液体酸化剤９０．０〜８０．０重量％のときに密度比推力の最大値が得られ、しかも前記最大値は、硝酸ヒドロキシルアンモニウム濃厚水溶液を酸化剤として用いた場合において、燃料１０．０重量％、液体酸化剤９０．０重量％の時に得られる密度比推力の最大値よりも大きく、四酸化二窒素を酸化剤として用いた場合において、燃料２０．０重量％、液体酸化剤８０．０重量％のときに得られる密度比推力の最大値と同等かそれよりも大きかったことが判る。
（実施例５）
濃度９０％の硝酸ヒドロキシルアンモニウム水溶液（ＨＡＮ）６５重量％とヒドラジニウムニトロフォルメイト（ＨＮＦ）３５重量％との混合物である液体酸化剤につき、大気圧にて凝固点及び分解時の発熱量を測定した。結果を表３に示す。
（実施例６）
濃度９０％の硝酸ヒドロキシルアンモニウム水溶液（ＨＡＮ）５０重量％と硝酸アンモニウム（ＡＮ）５０重量％との混合物である液体酸化剤につき、大気圧にて凝固点及び分解時の発熱量を測定した。結果を表３に示す。
（比較例３）
硝酸ヒドロキシルアンモニウムの９０重量％水溶液につき、実施例５と同様にして凝固点及び分解時の発熱量を測定した。結果を表３に示す。
【００４７】
【表３】

【００４８】
実施例５及び実施例６と比較例３との比較から、本発明の液体酸化剤は、例えば硝酸ヒドロキシルアンモニウム９０重量％水溶液と比較して凝固点が低く、より低温でも凍結しないことが判る。
【００４９】
又、分解時の発熱量についても、本発明の液体酸化剤は、例えば硝酸ヒドロキシルアンモニウム９０重量％水溶液と比較して大きいから、より高エネルギーの液体酸化剤であることが判る。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、従来から一般的に用いられてきた液体酸素及び四酸化二窒素等に比較して、同等か又はより高い比推力を得ることができ、硝酸ヒドロキシルアンモニウムよりも低い温度で取り扱うことができ、発熱量の大きな液体酸化剤が提供される。
【００５１】
本発明に係る液体酸化剤は、常温で液体状であり、しかも、融点が低く沸点が高いので、低温から高温に至る広い温度範囲において取扱が容易である。この液体酸化剤、又はハイブリッド推進薬とを用いたロケットは、液体酸素を用いた場合とは異なり、タンク、配管、及び弁の断熱を図る特別の装置装置或いは冷却装置が不要である。
【００５２】
又、本発明に係る液体酸化剤は、四酸化二窒素、硝酸、及び過酸化水素とは異なり、腐食性及び毒性が低いので、安全性が高い。しかも化学的安定性が高い故に、常温で長期間安定に貯蔵できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は実施例１〜４及び比較例１〜２における液体酸化剤の量に対する比推力との関係を示すグラフである。
【図２】図２は実施例１〜４及び比較例１〜２における液体酸化剤の量に対する密度比推力との関係を示すグラフである。

Claims

硝酸ヒドロキシルアンモニウムと、ヒドラジニウムニトロフォルメイト、アンモニウムジニトラミド、及び過酸化水素からなる群より選択された１種以上の酸化剤とを含有することを特徴とする液体酸化剤。
硝酸ヒドロキシルアンモニウムとヒドラジニウムニトロフォルメイトとを含有する請求項１に記載の液体酸化剤。
ヒドラジニウムニトロフォルメイトの含有量が１〜３５重量％である請求項２に記載の液体酸化剤。
固体燃料５〜１５重量％と前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体酸化剤９５〜８５重量％とを有することを特徴とするハイブリッド推進薬。
前記固体燃料が末端水酸基ポリブタジエン、末端カルボキシル基ポリブタジエン、ポリウレタン及びアジ化ポリマーからなる群より選択された少なくとも１種の高分子である前記請求項４に記載のハイブリッド推進薬。