JP6942125B2

JP6942125B2 - 過塩素酸酸化剤を有する固体ロケットモータ用の添加剤

Info

Publication number: JP6942125B2
Application number: JP2018524805A
Authority: JP
Inventors: ケー．ドーリー，スコット; ドール，ダニエル
Original assignee: エアロジェットロケットダインインコーポレイテッド
Priority date: 2015-11-18
Filing date: 2016-11-15
Publication date: 2021-09-29
Anticipated expiration: 2036-11-15
Also published as: CN108473385B; EP3377463B1; CN108473385A; EP3377463A2; US11023884B2; JP2019504232A; WO2017131840A2; WO2017131840A3; US20190102773A1

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６２／２５７，０７１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モータが、燃料と、バインダと、過塩素酸分解生成物に熱分解しうる過塩素酸酸化剤と、一つ以上の過塩素酸分解生成物と反応する塩化合物と、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、塩化合物が、金属塩、硫黄ベースの塩、リンベースの塩、ホウ素ベースの塩、またはそれらの組み合わせ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、塩化合物は、金属塩である。

前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、金属塩の金属は、一つ以上の過塩素酸分解生成物と自発的に反応するように熱力学的に有利である。

前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、金属塩の金属が、銅、コバルト、およびそれらの組み合わせ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、塩化合物は、硫黄ベースの塩である。

前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、リンベースの塩である。

前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、リンベースの塩が、ヘキサフルオロリン酸アンモニウムである。

前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、塩化合物は、ホウ素ベースの塩である。

前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、塩化合物が、金属塩、硫黄ベースの塩、リンベースの塩、ホウ素ベースの塩、およびそれらの組み合わせからなる群から選択され、塩化合物は、燃料と、バインダと、過塩素酸酸化剤と、塩化合物と、の組み合わされた総重量の０．１％〜２０％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、塩化合物は、総重量の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、塩化合物は、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、塩化合物が、金属塩、硫黄ベースの塩、リンベースの塩、ホウ素ベースの塩、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される。バインダは、ヒドロキシル基末端ポリブタジエンであり、過塩素酸酸化剤は、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。燃料は、アルミニウム、マグネシウム、またはホウ素ベースの塩のうち少なくとも一つを含む。塩化合物は、燃料と、バインダと、過塩素酸酸化剤と、塩化合物と、の組み合わされた総重量の０．１％〜２０％である。

本発明の一例による固体ロケットモータが、燃料と、バインダと、過塩素酸分解生成物に熱分解しうる過塩素酸酸化剤と、一つ以上の過塩素酸分解生成物と自発的に反応するように熱力学的に有利な添加剤と、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、添加剤は、塩化合物を含む。

前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、塩化合物が、銅、コバルト、リンベースの塩、または硫黄ベースの塩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、塩化合物が、ヘキサフルオロリン酸アンモニウムである。

本発明の一例による固体ロケットモータの安定性の試験方法が、固体ロケットモータの周囲の環境温度を徐々に増加させることを含む。固体ロケットモータは、燃料と、バインダと、過塩素酸分解生成物に熱分解しうる過塩素酸酸化剤と、一つ以上の過塩素酸分解生成物と反応する塩化合物と、を有する。ｉ）固体ロケットモータが燃焼、爆発または爆轟する環境温度、または、ｉｉ）環境温度の徐々の上昇から固体ロケットモータが燃焼、爆発または爆轟するまでの時間、のうち少なくとも一つが測定される。

前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、塩化合物が、金属塩、硫黄ベースの塩、リンベースの塩、およびそれらの組み合わせ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、塩化合物が、金属塩、硫黄ベースの塩、リンベースの塩、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される。バインダが、ヒドロキシル基末端ポリブタジエンであり、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。燃料が、アルミニウム、マグネシウム、またはホウ素ベースの塩のうち少なくとも一つを含む。塩化合物は、燃料と、バインダと、過塩素酸酸化剤と、塩化合物と、の組み合わされた総重量の０．１％〜２０％である。

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。

一例の固体ロケットモータを示す図。一例の固体推進薬を示す図。ロケットモータの一例の試験方法を示す図。

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。固体推進薬は少なくともポリマベースのバインダと、酸化剤と、を含む。特定の設計要件に応じて、固体推進薬は固体燃料も含みうる。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。

推力の発生に使用する前、モータ２０は保管され、あるいは輸送される。保管または輸送中、モータは広範囲の温度を含む周辺環境の環境条件に曝されうる。特に、高温では固体推進薬の構成成分の熱分解が生じうる。一例として、過塩素酸酸化剤は、気体アンモニアと気体過塩素酸分解生成物とに熱分解する。気体生成物は固体推進薬の発泡の可能性を増大させ、それにより更なる反応に利用可能な表面積を増大させうる。

この現象を生じさせる可能性の一つの特性は、熱安定性である。ロケットモータの熱安定性は「自然発射（cook-off）」試験によって測定される。この試験はロケットモータの周囲の環境温度をモータが燃焼、爆発または爆轟するまで上昇させることを含む。モータの燃焼、爆発または爆轟温度は安定性の一つの測定基準である。付加的にまたは代替的に、安定性のもう一つの測定基準は、環境温度が徐々に上昇することに起因してモータが燃焼、爆発または爆轟するまでの時間である。こうした試験は一般的に知られており、周知の基準として文書化されている。

本明細書中に開示の固体推進薬２６は熱安定性を強化するように配合された組成を含む。すなわち、以下に詳述するように、この組成は添加剤を含んでおり、この添加剤は、過塩素酸分解生成物と自発的に反応することにより固体を形成しそれにより気体の発泡を低減することで、一つ以上の過塩素酸分解生成物を封鎖（sequestering）することが可能である。一例として、添加剤は、アンモニア化合物、過塩素酸化合物、またはその両方と自発的に反応する。

図２は固体推進薬２６の様々な構成要素を概略的に示す。固体推進薬２６は、燃料２６ａと、バインダ２６ｂと、過塩素酸酸化剤２６ｃと、添加剤２６ｄと、を含む。例えば、添加剤２６ｄは、過塩素酸酸化剤２６ｃの一つ以上の過塩素酸分解生成物と自発的に反応するように熱力学的に有利である。添加剤２６ｄと過塩素酸分解生成物との間の反応の自発性は、反応のギブス自由エネルギーによって特徴付けられる。例えば、添加剤２６ｄと過塩素酸分解生成物の反応のギブス自由エネルギーは、エンタルピーの変化と、温度をエントロピーの変化で乗算したものとの差によって算出されるように、マイナスである。

一例では、添加剤２６ｄは、一つ以上の過塩素酸分解生成物と反応する塩化合物である。例えば、塩化合物は、金属塩、硫黄ベースの塩、リンベースの塩、ホウ素ベースの塩、またはそれらの組み合わせである。硫黄ベースの塩は、硫酸塩、亜硫酸塩、および過硫酸塩を含む。リンベースの塩は、リン酸塩、亜リン酸塩、および過リン酸塩（perphosphate salt）を含む。ホウ素ベースの塩は、ホウ酸塩、亜ホウ酸塩（borite）、および過ホウ酸塩を含む。添加剤２６ｄが金属塩を含む場合、金属塩の金属は、一つ以上の過塩素酸分解生成物と自発的に反応するように熱力学的に有利である。一例の金属は、これに限定しないが、銅、コバルト、ホウ素ベースの塩、およびこれらの組合せを含む。

一例のリンベースの塩は、これに限定しないが、ヘキサフルオロリン酸アンモニウム（ammonium hexafluorophosphate）を含む。

燃料２６ａ、バインダ２６ｂ、過塩素酸酸化剤２６ｃ、および添加剤２６ｄの組み合わされた総重量中の添加剤２６ｄの量は、固体推進薬２６の熱安定性を制御するように様々である。一例として、塩化合物は総重量の０．１％〜２０％である。更なる例では、塩化合物は総重量の１％〜１０％または１％〜５％である。

更なる例では、塩化合物は、金属塩、硫黄ベースの塩、リンベースの塩、ホウ素ベースの塩、およびそれらの組み合わせから選択され、バインダ２６ｂは、ヒドロキシル基末端ポリブタジエンであり、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み、燃料２６ａは、アルミニウム、マグネシウム、またはホウ素ベースの塩のうち少なくとも一つを含み、塩は、総重量の０．１％〜２０％である。

図３は固体ロケットモータ２０の安定性を試験するための一例の方法を示す。この例では、固体ロケットモータ２０が、Ｅで示されるように、モータ２０の周囲の環境を制御された加熱速度で加熱するように動作可能なチャンバ４０に配置される。チャンバ４０は、センサ、コントローラ、または、（「Ｔ」で示された）環境Ｅの温度および（「ｔ」で示された）試験の時間を測定可能なその他の装置を含みうる。環境Ｅは、固体ロケットモータ２０の周囲において制御された加熱速度で温度が上昇する。この試験は、固体ロケットモータ２０が燃焼、爆発または爆轟する環境温度、または、その環境温度が徐々に上昇することに起因してモータ２０が燃焼、爆発または爆轟するまでの時間のうち少なくとも一つを測定することを含む。温度、時間、またはその両方がモータ２０の熱安定性を表す。

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

燃料と、
バインダと、
過塩素酸分解生成物に熱分解しうる過塩素酸酸化剤と、
一つ以上の前記過塩素酸分解生成物と反応する塩化合物と、
を備え、
前記塩化合物が、硫黄ベースの塩、リンベースの塩、ホウ素ベースの塩、およびそれらの組み合わせからなる群から選択され、
前記塩化合物が、金属塩をさらに含むことを特徴とする、固体ロケットモータ。
前記金属塩の金属は、一つ以上の前記過塩素酸分解生成物と自発的に反応するように熱力学的に有利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モータ。
前記金属塩の金属が、銅、コバルト、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の固体ロケットモータ。
前記塩化合物が、硫黄ベースの塩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モータ。
前記塩化合物が、リンベースの塩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モータ。
前記リンベースの塩が、ヘキサフルオロリン酸アンモニウムであることを特徴とする請求項５に記載の固体ロケットモータ。
前記塩化合物が、ホウ素ベースの塩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モータ。
前記塩化合物は、前記燃料と、前記バインダと、前記過塩素酸酸化剤と、前記塩化合物と、の組み合わされた総重量の０．１％〜２０％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モータ。
前記塩化合物が、前記総重量の１％〜１０％であることを特徴とする請求項８に記載の固体ロケットモータ。
前記塩化合物が、前記総重量の１％〜５％であることを特徴とする請求項９に記載の固体ロケットモータ。
前記バインダが、ヒドロキシル基末端ポリブタジエンであり、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、またはホウ素ベースの塩のうち少なくとも一つを含み、前記塩化合物は、前記燃料と、前記バインダと、前記過塩素酸酸化剤と、前記塩化合物と、の組み合わされた総重量の０．１％〜２０％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モータ。
燃料と、
バインダと、
過塩素酸分解生成物に熱分解しうる過塩素酸酸化剤と、
一つ以上の前記過塩素酸分解生成物と自発的に反応するように熱力学的に有利な添加剤と、
を備え、
前記添加剤が、硫黄ベースの塩、リンベースの塩、ホウ素ベースの塩、およびそれらの組み合わせからなる群から選択された塩化合物を含み、
前記塩化合物が、金属塩をさらに含むことを特徴とする、固体ロケットモータ。
前記塩化合物は、前記燃料と、前記バインダと、前記過塩素酸酸化剤と、前記塩化合物と、の組み合わされた総重量の０．１％〜２０％であることを特徴とする請求項１２に記載の固体ロケットモータ。
前記塩化合物が、ヘキサフルオロリン酸アンモニウムであることを特徴とする請求項１２に記載の固体ロケットモータ。
固体ロケットモータの安定性の試験方法であって、
燃料と、バインダと、過塩素酸分解生成物に熱分解しうる過塩素酸酸化剤と、一つ以上の前記過塩素酸分解生成物と反応する塩化合物と、を含んだ固体ロケットモータの周囲の環境温度を徐々に上昇させ、
ｉ）前記固体ロケットモータが燃焼、爆発または爆轟する前記環境温度、または、ｉｉ）前記環境温度の徐々の上昇から前記固体ロケットモータが燃焼、爆発または爆轟するまでの時間、のうち少なくとも一つを測定する、
ことを備え、
前記塩化合物が、硫黄ベースの塩、リンベースの塩、ホウ素ベースの塩、またはそれらの組み合わせからなる群から選択され、
前記塩化合物が、金属塩をさらに含むことを特徴とする、試験方法。
前記バインダが、ヒドロキシル基末端ポリブタジエンであり、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、またはホウ素ベースの塩のうち少なくとも一つを含み、前記塩化合物は、前記燃料と、前記バインダと、前記過塩素酸酸化剤と、前記塩化合物と、の組み合わされた総重量の０．１％〜２０％であることを特徴とする請求項１５に記載の試験方法。