JP7250304B2 - Propellant for gas generator for turbine drive and method for producing the same - Google Patents

Propellant for gas generator for turbine drive and method for producing the same Download PDF

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Description

本発明は、タービン駆動用ガスジェネレータの推進剤及びその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a propellant for a gas generator for driving a turbine and a method for producing the same.

ガスジェネレータサイクル・エアターボラムジェットエンジン(以下、「GG-ATRエンジン」と称する。)は、従来のジェットエンジンよりも高い推重比を有するため、小型無人超音速機用のエンジンとして有望視されている。例えば、非特許文献1には、燃料であるエタノールと酸化剤である液体酸素とを別々にガスジェネレータに供給して燃焼ガスを発生させるGG-ATRエンジンが開示されている。 A gas generator cycle air turboramjet engine (hereinafter referred to as a "GG-ATR engine") has a thrust-to-weight ratio higher than that of a conventional jet engine. there is For example, Non-Patent Document 1 discloses a GG-ATR engine in which ethanol as a fuel and liquid oxygen as an oxidant are separately supplied to a gas generator to generate combustion gas.

湊 亮二郎、GG-ATRエンジンのシステム作動特性について、室蘭工業大学航空宇宙機システム研究センター年次報告書、第2014巻、p.20-22、2015年Ryojiro Minato, System operating characteristics of GG-ATR engine, Muroran Institute of Technology Aerospace System Research Center Annual Report, Vol. 2014, p. 20-22, 2015

エタノール及び液体酸素からなるGG-ATRエンジンの推進剤は、毒性がなく、高い推力を得ることができる。しかし、液体酸素は、約-180℃の沸点を有する極低温流体であるため、GG-ATRエンジンのタンクに液体酸素を充填するには、多くの手間を要する。また、GG-ATRエンジンの作動を容易にするには、さらなる安全性を有し、常温でも貯蔵可能な推進剤が必要である。そして、このような問題は、GG-ATRエンジン用推進剤に限られず、他のタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤にも存在している。 The GG-ATR engine's propellant, which consists of ethanol and liquid oxygen, is non-toxic and can provide high thrust. However, since liquid oxygen is a cryogenic fluid with a boiling point of about -180°C, it takes a lot of work to fill the tank of the GG-ATR engine with liquid oxygen. There is also a need for a propellant that is safer and storable at ambient temperature to facilitate operation of the GG-ATR engine. Such problems are not limited to propellants for GG-ATR engines, but also exist for propellants for other turbine-driving gas generators.

本発明は、このような背景に基づいてなされたものであり、ユーザにとって取り扱いが容易であり、常温でも貯蔵可能なタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤及びその製造方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a propellant for a gas generator for driving a turbine, which is easy for users to handle and can be stored even at room temperature, and a method for producing the same. .

上記目的を達成するために、本発明の第1の観点に係るタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤は、
アルコールとニトロメタンとを混合してなり、前記アルコールよりも前記ニトロメタンの重量の方が大きくなるように混合されている。
In order to achieve the above object, a propellant for a turbine-driven gas generator according to a first aspect of the present invention comprises:
A mixture of alcohol and nitromethane is mixed so that the weight of the nitromethane is greater than the weight of the alcohol .

前記アルコールは、エタノール、メタノール、プロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール及びグリセリンからなる群より少なくとも一つが選択されてもよい。 The alcohol may be at least one selected from the group consisting of ethanol, methanol, propanol, ethylene glycol, propylene glycol and glycerin.

上記目的を達成するために、本発明の第2の観点に係るタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤は、
アルコールとニトロメタンとを混合してなり、前記アルコールは、エタノールであり、前記エタノールに対する前記ニトロメタンの重量比は、0.8~2.5の範囲内である。
In order to achieve the above object, a propellant for a turbine-driven gas generator according to a second aspect of the present invention comprises:
A mixture of alcohol and nitromethane, wherein the alcohol is ethanol, and the weight ratio of the nitromethane to the ethanol is 0.5 . 8 to 2 . 5.

メチルアミンが添加されていてもよい。 Methylamine may be added.

上記目的を達成するために、本発明の第の観点に係るタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤の製造方法は、
前記タービン駆動用ガスジェネレータの推進剤の製造方法であって、
前記アルコールと前記ニトロメタンとをそれぞれ計量する計量工程と、
前記計量工程で計量された前記アルコールと前記ニトロメタンとを混合する混合工程と、
を含む。
In order to achieve the above object, a method for producing a propellant for a turbine-driven gas generator according to a third aspect of the present invention comprises:
A method for producing a propellant for the turbine driving gas generator, comprising:
a weighing step of respectively weighing the alcohol and the nitromethane ;
a mixing step of mixing the alcohol and the nitromethane weighed in the weighing step;
including.

本発明によれば、ユーザにとって取り扱いが容易であり、常温でも貯蔵可能なタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤及びその製造方法を提供できる。 Advantageous Effects of Invention According to the present invention, it is possible to provide a propellant for a gas generator for driving a turbine, which is easy for users to handle and can be stored even at room temperature, and a method for producing the propellant.

本発明の実施の形態に係るガスジェネレータサイクル・エアターボラムジェットエンジンの構成を示す図である。1 is a diagram showing a configuration of a gas generator cycle air turboramjet engine according to an embodiment of the present invention; FIG. エタノール及びニトロメタンの物性値を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing physical property values of ethanol and nitromethane; 本発明の実施の形態に係る推進剤の製造方法の流れを示すフローチャートである。1 is a flow chart showing the flow of a propellant manufacturing method according to an embodiment of the present invention; 実施例1における燃焼シミュレーションの解析条件を示す図である。4 is a diagram showing analysis conditions for combustion simulation in Example 1. FIG. 実施例1における比スラストとガスジェネレータ燃焼温度との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between specific thrust and gas generator combustion temperature in Example 1. FIG. 実施例1におけるIspとガスジェネレータ燃焼温度との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between Isp and gas generator combustion temperature in Example 1. FIG. 実施例1におけるラム燃焼器温度とガスジェネレータ燃焼温度との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between ram combustor temperature and gas generator combustion temperature in Example 1. FIG. 実施例1におけるエタノールに対するニトロメタンの重量比とガスジェネレータ燃焼温度との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the weight ratio of nitromethane to ethanol and the combustion temperature of the gas generator in Example 1. FIG. 実施例2における比スラストとガスジェネレータ燃焼温度との関係を示すグラフである。9 is a graph showing the relationship between specific thrust and gas generator combustion temperature in Example 2. FIG. 実施例2におけるIspとガスジェネレータ燃焼温度との関係を示すグラフである。7 is a graph showing the relationship between Isp and gas generator combustion temperature in Example 2. FIG. 実施例2におけるラム燃焼器温度とガスジェネレータ燃焼温度との関係を示すグラフである。7 is a graph showing the relationship between ram combustor temperature and gas generator combustion temperature in Example 2. FIG.

以下、本発明の実施の形態に係るタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤及びその製造方法を、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面においては、同一又は同等の部分に同一の符号を付している。 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION A propellant for a turbine-driving gas generator and a method for producing the propellant according to an embodiment of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings. In each drawing, the same reference numerals are given to the same or equivalent parts.

なお、実施の形態では、タービン駆動用ガスジェネレータの推進剤及びその製造方法をガスジェネレータサイクル・エアターボラムジェット(Gas Generator Cycle Air Turbo Ramjet:GG-ATR)エンジンに適用する場合を例に説明するが、本発明はこの場合に限られない。 In the embodiment, a case where the propellant for the turbine driving gas generator and the manufacturing method thereof is applied to a gas generator cycle air turbo ramjet (GG-ATR) engine will be described as an example. However, the present invention is not limited to this case.

図1を参照して、GG-ATRエンジンの構成を説明する。GG-ATRエンジンは、ラムジェットエンジンの一種である。ラムジェットエンジンは、エアインテークで生じるラム圧により圧縮された圧縮空気に対して燃料を吹き付けて燃焼させることで推力を得るジェットエンジンである。 The configuration of the GG-ATR engine will be described with reference to FIG. The GG-ATR engine is a type of ramjet engine. A ramjet engine is a jet engine that obtains thrust by blowing and burning fuel against compressed air compressed by ram pressure generated in an air intake.

ラムジェットエンジンは、マッハ3~5程度の超音速飛行に適しており、圧縮機による空気の圧縮が不要であるため、ターボジェットエンジンよりも構造が簡易である。その一方で、ラムジェットエンジンは、圧縮機による空気の圧縮が不要な所定の速度域に機体を到達させるため、別の推進系を必要とする。エアターボラムジェットエンジンは、ラムジェットエンジンの内部に、例えば、圧縮機のようなターボジェットエンジンと同等の機構を備えることで、機体が所定の速度域に達するまでターボジェットエンジンとして機能するように構成されている。 A ramjet engine is suitable for supersonic flight of about Mach 3 to 5, and since it does not require air compression by a compressor, it has a simpler structure than a turbojet engine. A ramjet engine, on the other hand, requires a separate propulsion system in order to allow the airframe to reach a predetermined speed range where compression of air by the compressor is unnecessary. An air turbo ramjet engine is equipped with a mechanism equivalent to a turbojet engine, such as a compressor, inside the ramjet engine so that it functions as a turbojet engine until the airframe reaches a predetermined speed range. It is configured.

GG-ATRエンジンは、推進剤をガスジェネレータで燃焼させることで発生した燃焼ガスをタービンに供給し、タービンで燃焼ガスと圧縮された空気とを混合して更に燃焼させるように構成されている。 The GG-ATR engine is configured to supply combustion gas generated by burning a propellant in a gas generator to a turbine, mix the combustion gas and compressed air in the turbine, and further burn it.

図1は、実施の形態に係るGG-ATRエンジンの一部を長手方向に切断した断面図である。GG-ATRエンジン1は、タンク11と、エアインテーク12と、圧縮機13と、ガスジェネレータ14と、タービン15と、ラム燃焼器16と、ノズル17と、を備える。 FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a part of a GG-ATR engine according to an embodiment. The GG-ATR engine 1 comprises a tank 11, an air intake 12, a compressor 13, a gas generator 14, a turbine 15, a ram combustor 16 and a nozzle 17.

タンク11は、ガスジェネレータ14に配管等を介して接続され、ガスジェネレータ14に供給する推進剤を貯蔵するタンクである。タンク11は、例えば、一液系推進剤であれば単一のタンクでよいが、燃料と酸化剤が必要な二液系推進剤であれば、燃料用のタンクと酸化剤用のタンクとを別々に備えて置く必要がある。 The tank 11 is a tank that is connected to the gas generator 14 via a pipe or the like and stores the propellant to be supplied to the gas generator 14 . The tank 11 may be, for example, a single tank if the propellant is a one-liquid system, but if it is a two-liquid system propellant that requires a fuel and an oxidizer, a fuel tank and an oxidizer tank may be used. must be kept separately.

エアインテーク12は、GG-ATRエンジンの先端側に配置され、前方から取り入られた空気を圧縮機13に供給する。 The air intake 12 is arranged on the tip side of the GG-ATR engine, and supplies air taken in from the front to the compressor 13 .

圧縮機13は、エアインテーク12の後方に配置され、圧縮機13に機械的に接続されたタービン15が駆動されることでエアインテーク12から取り込んだ空気を圧縮し、タービン15に供給する。圧縮機13は、タービン15に接続された回転軸と、当該回転軸の外周面から径方向に延びる複数のブレードと、を備える。エアインテーク12から取り込まれた空気は、回転するブレードにより圧縮されて後方に排出される。 The compressor 13 is arranged behind the air intake 12 , and a turbine 15 mechanically connected to the compressor 13 is driven to compress air taken in from the air intake 12 and supply the air to the turbine 15 . The compressor 13 includes a rotating shaft connected to the turbine 15 and a plurality of blades radially extending from the outer peripheral surface of the rotating shaft. Air taken in from the air intake 12 is compressed by the rotating blades and discharged rearward.

ガスジェネレータ14は、タンク11から推進剤が供給されるようにタンク11に接続され、タンク11から供給された推進剤を燃焼させ、発生した高温・高圧の燃焼ガスをタービン15に供給する。 The gas generator 14 is connected to the tank 11 so as to be supplied with propellant from the tank 11 , burns the propellant supplied from the tank 11 , and supplies the generated high-temperature, high-pressure combustion gas to the turbine 15 .

タービン15は、圧縮機13の後方に配置され、ガスジェネレータ14から供給された高温・高圧の燃焼ガスにより駆動され、圧縮機13を駆動させる。タービン15は、圧縮機13に接続された回転軸と、当該回転軸の外周面から径方向に延びる複数の耐熱性ブレードとを備える。タービン15の回転軸は、圧縮機13の回転軸と中心軸が一致するように接続されている。タービン15を構成する耐熱性ブレードの耐熱温度は約1100Kである。ガスジェネレータ14から供給された燃焼ガスは、タービン15の耐熱性ブレードに噴射されることでタービン15を駆動させた後、タービン15の後方に排出される。 The turbine 15 is arranged behind the compressor 13 and driven by the high-temperature, high-pressure combustion gas supplied from the gas generator 14 to drive the compressor 13 . The turbine 15 includes a rotating shaft connected to the compressor 13 and a plurality of heat-resistant blades radially extending from the outer peripheral surface of the rotating shaft. The rotating shaft of the turbine 15 is connected so that the rotating shaft of the compressor 13 and the central axis are aligned. The heat-resistant temperature of the heat-resistant blades forming the turbine 15 is about 1100K. The combustion gas supplied from the gas generator 14 is injected to the heat-resistant blades of the turbine 15 to drive the turbine 15 , and then discharged to the rear of the turbine 15 .

ラム燃焼器16は、タービン15の後方に配置され、タービン15から排出された燃焼ガスと圧縮機13から供給された圧縮空気とを混合して、高温・高圧の燃焼ガスを更に燃焼させる。 The ram combustor 16 is arranged behind the turbine 15 and mixes the combustion gas discharged from the turbine 15 with the compressed air supplied from the compressor 13 to further burn the high-temperature, high-pressure combustion gas.

ノズル17は、ラム燃焼器16の後方に配置され、ラム燃焼器16で更に燃焼された燃焼ガスを後方に噴射する。ノズル17から燃焼ガスが噴射されることで、GG-ATRエンジンは推力を発生する。以上が、GG-ATRエンジンの構成である。 The nozzle 17 is arranged behind the ram combustor 16 and injects combustion gas further combusted in the ram combustor 16 rearward. The GG-ATR engine generates thrust by injecting combustion gas from the nozzle 17 . The above is the configuration of the GG-ATR engine.

次に、実施の形態に係るGG-ATRエンジン用推進剤の組成を説明する。GG-ATRエンジン用推進剤は、燃料であるアルコールと酸化剤であるニトロメタンとの混合物である。 Next, the composition of the GG-ATR engine propellant according to the embodiment will be described. The propellant for the GG-ATR engine is a mixture of alcohol, the fuel, and nitromethane, the oxidant.

図2は、アルコールの一例としてのエタノールとニトロメタンとの物性値を示す。図2に示す融点及び沸点から理解できるように、ニトロメタン及びエタノールは、いずれも常温で液体である。ニトロメタンは、アルコール分子とよく混ざり合う性質を有しており、両者を混合した状態で保存することができる。このため、アルコールとニトロメタンとを予め混合することで、二液系推進剤であっても実質的に一液系推進剤のように扱うことができる。 FIG. 2 shows physical property values of ethanol and nitromethane as examples of alcohols. As can be understood from the melting points and boiling points shown in FIG. 2, both nitromethane and ethanol are liquid at room temperature. Nitromethane has the property of being well mixed with alcohol molecules, and both can be stored in a mixed state. Therefore, by mixing alcohol and nitromethane in advance, even a two-component propellant can be treated substantially like a one-component propellant.

推進剤のアルコールは、低級アルコールであることが好ましく、第一級アルコールであることがさらに好ましい。推進剤のアルコールとしては、例えば、エタノール、メタノール、プロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン等であるが、エタノール、メタノール、プロパノールであることが好ましく、エタノールであることがさらに好ましい。エタノールは、例えば、サトウキビ、トウモロコシ等のバイオマスを発酵・蒸留させて得られるバイオエタノール、他の発酵エタノール、合成エタノール等であってもよい。 The propellant alcohol is preferably a lower alcohol, more preferably a primary alcohol. The propellant alcohol includes, for example, ethanol, methanol, propanol, ethylene glycol, propylene glycol, glycerin, etc. Ethanol, methanol and propanol are preferred, and ethanol is more preferred. Ethanol may be, for example, bioethanol obtained by fermenting and distilling biomass such as sugarcane and corn, other fermented ethanol, synthetic ethanol, and the like.

推進剤のアルコールは、単一の組成物から構成される場合に限られず、例えば、エタノール、メタノール、プロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール及びグリセリン等からなる群のうち少なくとも2つの種類のアルコールを混合したものであってもよい。複数種類のアルコールを混合する場合、例えば、C、H、Oの組成がエタノールと実質的に同一となるように混合することが好ましい。 The alcohol of the propellant is not limited to being composed of a single composition, for example, a mixture of at least two alcohols from the group consisting of ethanol, methanol, propanol, ethylene glycol, propylene glycol, glycerin, etc. can be anything. When a plurality of types of alcohol are mixed, it is preferable to mix them so that the composition of C, H, and O is substantially the same as that of ethanol, for example.

推進剤のニトロメタンは、燃料であるアルコールを酸化するための酸化剤としての役割を持つ。ニトロメタンは、外部からの衝撃に対して敏感でなく、その爆発力は黒色火薬と同程度である。そして、ニトロメタンは、アルコールと混合することで爆発の危険性が更に低減されるため、比較的容易に取り扱うことができる。 The propellant, nitromethane, acts as an oxidant to oxidize the alcohol fuel. Nitromethane is insensitive to external impact and its explosive power is comparable to that of black powder. Nitromethane can be handled relatively easily because the risk of explosion is further reduced by mixing it with alcohol.

ニトロメタンは、毒性が比較的低いため、その取り扱いが容易である。ニトロメタンの半数致死量(Lethal Dose, 50%:LD50)は、約940mg/kgである。LD50は、投与した動物の半数が死亡する用量である。ニトロメタンのLD50は、300mg/kg以上であるため、毒物・劇物取締法の毒物・劇物に該当せず、特別な管理を要しない。 Nitromethane is easy to handle due to its relatively low toxicity. The median lethal dose (50%: LD50) of nitromethane is about 940 mg/kg. The LD50 is the dose at which half of the animals dosed die. Since the LD50 of nitromethane is 300 mg/kg or more, it does not fall under the Poisonous and Deleterious Substances Control Law and does not require special management.

エタノールとニトロメタンとの重量比は、GG-ATRエンジン1の耐熱性を考慮すると、例えば、エタノール1.0に対してニトロメタンが約0.8~約2.5の範囲内であり、約1.4~約2.0の範囲内であることが好ましく、約1.7~約1.9の範囲内であることがさらに好ましい。 Considering the heat resistance of the GG-ATR engine 1, the weight ratio of ethanol to nitromethane is, for example, in the range of about 0.8 to about 2.5 for 1.0 ethanol, and about 1.0 for nitromethane. It is preferably in the range of 4 to about 2.0, more preferably in the range of about 1.7 to about 1.9.

GG-ATRエンジンは、ガスジェネレータ14の燃焼温度(以下、「GG燃焼温度」と略称する。)が高温であるほど、推進効率が向上する。タービン15を構成する耐熱性ブレードの耐熱温度が約1100Kであるため、GG燃焼温度が1100Kとなるようにエタノールとニトロメタンとの重量比を設定することが好ましい。GG燃焼温度を約1100Kとするには、エタノールとニトロメタンとの重量比は、エタノール1.0に対してニトロメタン約1.8とすればよい。 In the GG-ATR engine, the higher the combustion temperature of the gas generator 14 (hereinafter abbreviated as "GG combustion temperature"), the higher the propulsion efficiency. Since the heat-resistant temperature of the heat-resistant blades constituting the turbine 15 is about 1100K, it is preferable to set the weight ratio of ethanol and nitromethane so that the GG combustion temperature is 1100K. In order to obtain a GG combustion temperature of about 1100K, the weight ratio of ethanol to nitromethane should be about 1.8 of nitromethane to 1.0 of ethanol.

GG-ATRエンジン用推進剤には、エタノール及びニトロメタンの混合物に、微量のメチルアミンを添加してもよい。ニトロメタン単体では着火性が低いため、微量のメチルアミンを添加することで推進剤の着火性を向上できる。メチルアミンは、重量比でエタノールの約1/10以下の量であることが好ましい。さらに言えば、エタノールとニトロメタンとメチルアミンとの重量比は、エタノール1.0に対してニトロメタンが約1.8、メチルアミンが約0.1であることが好ましい。 The propellant for the GG-ATR engine may have a mixture of ethanol and nitromethane with a trace amount of methylamine added. Nitromethane alone has low ignitability, so adding a small amount of methylamine can improve the ignitability of the propellant. Preferably, the amount of methylamine is about 1/10 or less of ethanol by weight. More specifically, the weight ratio of ethanol to nitromethane to methylamine is preferably about 1.8 of nitromethane and about 0.1 of methylamine to 1.0 of ethanol.

次に、図3を参照して、GG-ATRエンジン用推進剤の製造工程の流れを説明する。図3は、GG-ATRエンジン用推進剤の製造工程の流れを示すフローチャートである。以下、GG-ATRエンジン用推進剤のアルコールとしてエタノールを選択した場合を例に説明する。 Next, referring to FIG. 3, the flow of the manufacturing process of the propellant for the GG-ATR engine will be described. FIG. 3 is a flow chart showing the flow of the manufacturing process of the propellant for the GG-ATR engine. An example in which ethanol is selected as the alcohol of the propellant for the GG-ATR engine will be described below.

まず、GG-ATRエンジン用推進剤を構成する材料であるエタノールとニトロメタンとを計量する(ステップS1)。ステップS1では、例えば、エタノール:ニトロメタン=1.0:1.8の重量比となるように、エタノールとニトロメタンとを計量する。 First, ethanol and nitromethane, which are materials constituting the propellant for the GG-ATR engine, are weighed (step S1). In step S1, ethanol and nitromethane are weighed so that the weight ratio of ethanol:nitromethane=1.0:1.8, for example.

次に、ステップS1で計量されたエタノールとニトロメタンとを容器内で混合する(ステップS2)。より詳細に説明すると、タンク11に投入する前に、ステップS1で計量されたエタノールとニトロメタンとを予め別の容器に投入して混合することで、ステップS2の工程を実行してもよい。また、ステップS1で計量されたエタノールとニトロメタンとをそれぞれタンク11に直接投入することで、ステップS2の工程を実行してもよい。 Next, the ethanol and nitromethane weighed in step S1 are mixed in the container (step S2). More specifically, the process of step S2 may be performed by previously charging and mixing the ethanol and nitromethane weighed in step S1 into another container before charging into the tank 11. Alternatively, the process of step S2 may be executed by directly charging the ethanol and nitromethane weighed in step S1 into the tank 11 respectively.

なお、GG-ATRエンジン用推進剤に微量のメチルアミンを添加する場合は、ステップS1でメチルアミンを計量し、ステップS2でメチルアミンをエタノール及びニトロメタンと共に混合すればよい。以上が、GG-ATRエンジン用推進剤の製造工程の流れである。 When adding a small amount of methylamine to the propellant for the GG-ATR engine, the methylamine may be weighed in step S1 and mixed with ethanol and nitromethane in step S2. The above is the flow of the manufacturing process of the propellant for the GG-ATR engine.

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to Examples. However, the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
本検証では、GG-ATRエンジンの燃焼状態を解析するための解析モデルを作成し、当該解析モデルを用いて対象となる燃料を燃焼させた場合の燃焼状態のシミュレーションを実施した。この燃焼シミュレーションは、ギブス自由エネルギ最小化法による化学平衡計算を利用したものである。なお、アメリカ航空宇宙局等の研究機関においても、CEA(Chemical Equilibrium Application)等を用いた解析により、ロケットエンジンにおけるケロシンやエタノールの燃焼シミュレーションが実施されており、実際の燃焼結果によく近似することが実証されている。
(Example 1)
In this verification, an analysis model was created to analyze the combustion state of the GG-ATR engine, and a simulation of the combustion state when the target fuel was burned was performed using the analysis model. This combustion simulation utilizes chemical equilibrium calculation by the Gibbs free energy minimization method. In addition, research institutes such as the US National Aeronautics and Space Administration have also conducted simulations of the combustion of kerosene and ethanol in rocket engines through analysis using CEA (Chemical Equilibrium Application), etc., and the actual combustion results are well approximated. has been demonstrated.

本検証では、本発明のエタノールCOHとニトロメタンCHNOとの混合物である「エタノール-ニトロメタン」に加えて、比較のためにヒドラジンN(一液系推進剤)、末端水酸基ポリブタジエンと過塩素酸アンモニウムNHClOとの混合物である「末端水酸基ポリブタジエン-過塩素酸アンモニウム」(固定推進剤)、ケロシンn-C1226と過酸化水素H(濃度60%又は100%)との混合物である「ケロシン-過酸化水素」(二液系常温推進剤)をそれぞれ燃焼させた場合の燃焼シミュレーションをそれぞれ実施した。以下、「末端水酸基ポリブタジエン-過塩素酸アンモニウム」は、HTPB-AP(Hydroxyl Terminated Poly Butadiene-Ammonium Perchlorate)と略称する。 In this verification, in addition to "ethanol-nitromethane", which is a mixture of ethanol C 2 H 5 OH and nitromethane CH 3 NO 2 of the present invention, hydrazine N 2 H 4 (monocomponent propellant) for comparison, “Hydroxy-terminated polybutadiene-ammonium perchlorate” (stationary propellant), which is a mixture of hydroxyl-terminated polybutadiene and ammonium perchlorate NH 4 ClO 4 , kerosene n-C 12 H 26 and hydrogen peroxide H 2 O 2 (concentration 60% or 100%) and "kerosene-hydrogen peroxide" (two-liquid system room temperature propellant) were respectively burned. Hereinafter, "hydroxyl-terminated polybutadiene-ammonium perchlorate" is abbreviated as HTPB-AP (Hydroxyl Terminated Poly Butadiene-Ammonium Perchlorate).

ヒドラジンは、自己着火性を有しているが、LD50が60mg/kgであり、極めて高い毒性を有する。HTPB-APは、固体推進剤であるため取り扱いが容易であると共に燃料供給用の配管が不要であるが、推力コントロールが困難である。また、HTPB-APは、火薬類取締法の規制の対象であるため厳重な管理が要求される。ケロシン-過酸化水素は、過酸化水素が高濃度の場合、爆発の危険がある。 Hydrazine is self-igniting, but has an LD50 of 60 mg/kg and is extremely toxic. Since HTPB-AP is a solid propellant, it is easy to handle and does not require piping for fuel supply, but it is difficult to control thrust. Also, HTPB-AP is subject to regulations under the Explosives Control Law, so strict control is required. Kerosene-hydrogen peroxide is an explosion hazard at high concentrations of hydrogen peroxide.

なお、HTPB-APをGG-ATRエンジンで実際に燃焼させる場合、燃焼を安定させるために、例えば、アルミニウム、マグネシウム等の金属粉末を混合させる必要がある。他方、本検証では、計算の簡略化のため、金属粉末を混合しない状態で燃焼シミュレーションを実施した。 When HTPB-AP is actually burned in a GG-ATR engine, it is necessary to mix metal powder such as aluminum and magnesium to stabilize combustion. On the other hand, in this verification, in order to simplify the calculation, the combustion simulation was performed without mixing the metal powder.

図4は、燃焼シミュレーションにおけるエンジンパラメータ条件を示す。HTPB-APの場合、その他の推進剤の場合と比べてガスジェネレータ14の燃焼圧力及びタービン15の膨張比を高く設定できるため、ガスジェネレータ14の燃焼圧力を4.5MPa(abs)とし、タービン15の膨張比を16とした。そして、図4に示す条件のもとで燃焼状態の解析を実施した。 FIG. 4 shows engine parameter conditions in a combustion simulation. In the case of HTPB-AP, the combustion pressure of the gas generator 14 and the expansion ratio of the turbine 15 can be set higher than in the case of other propellants. The expansion ratio of was set to 16. Then, the combustion state was analyzed under the conditions shown in FIG.

以下、図5~図8を参照して、燃焼シミュレーションの結果を示す。図5は、各推進剤を燃焼させた場合の比スラストのシミュレーション結果を示すグラフである。縦軸は、比スラスト(kgf sec/kg)であり、横軸は、GG燃焼温度(K)である。比スラストは、空気流量当たりの推力である。 The results of the combustion simulation are shown below with reference to FIGS. 5 to 8. FIG. FIG. 5 is a graph showing simulation results of specific thrust when each propellant is burned. The vertical axis is specific thrust (kgf sec/kg), and the horizontal axis is GG combustion temperature (K). Specific thrust is the thrust per airflow.

GG燃焼温度が1100K以下の場合、エタノール-ニトロメタンの比スラストが他の推進剤よりも高くなることが理解できる。また、エタノール-ニトロメタンの比スラストは、約1000K~約1050Kの範囲内で最大となる。タービン15の耐熱性ブレードの耐熱性を考慮すると、GG燃焼温度は約1100K以下に抑える必要があるため、実用域ではエタノール-ニトロメタンが比スラストにおいて最も優れている。 It can be seen that when the GG combustion temperature is 1100 K or less, the specific thrust of ethanol-nitromethane becomes higher than other propellants. Also, the ethanol-nitromethane specific thrust is maximized in the range of about 1000K to about 1050K. Considering the heat resistance of the heat-resistant blades of the turbine 15, the GG combustion temperature must be suppressed to about 1100K or less, so ethanol-nitromethane is the best in terms of thrust specificity in the practical range.

図6は、各推進剤を燃焼させた場合のIspのシミュレーション結果を示すグラフである。縦軸は、Isp(sec)であり、横軸は、GG燃焼温度(K)である。Ispは、比インパルスとも呼ばれ、単位燃料質量流量当たりの発生推力であり、自動車用エンジンの燃費に相当する。 FIG. 6 is a graph showing simulation results of Isp when each propellant is burned. The vertical axis is Isp (sec) and the horizontal axis is GG combustion temperature (K). Isp, also called specific impulse, is the thrust generated per unit mass flow of fuel, and corresponds to the fuel consumption of an automobile engine.

GG燃焼温度が1100K以下の場合、エタノール-ニトロメタンのIspは、HTPB-APよりも高いことが理解できる。また、GG燃焼温度が約1100Kの付近において、エタノール-ニトロメタンのIspは、NのIspとよく一致していることが理解できる。Nの有毒性を考慮すると、エタノール-ニトロメタンの優位性が高いと判断できる。 It can be seen that when the GG combustion temperature is 1100 K or less, the Isp of ethanol-nitromethane is higher than that of HTPB-AP. Also, it can be seen that the Isp of ethanol-nitromethane is in good agreement with the Isp of N 2 H 4 when the GG combustion temperature is around 1100K. Considering the toxicity of N 2 H 4 , it can be judged that ethanol-nitromethane is highly superior.

図7は、各推進剤を燃焼させた場合のラム燃焼器温度のシミュレーション結果を示すグラフである。縦軸は、ラム燃焼器16の温度(K)であり、横軸は、GG燃焼温度(K)である。ラム燃焼器温度は、この数値が大きいほどGG-ATRエンジンの推進効率が向上する。 FIG. 7 is a graph showing simulation results of ram combustor temperature when each propellant is burned. The vertical axis is the temperature (K) of the ram combustor 16 and the horizontal axis is the GG combustion temperature (K). As the ram combustor temperature increases, the propulsion efficiency of the GG-ATR engine improves.

エタノール-ニトロメタンの場合、GG燃焼温度が約1100Kのとき、ラム燃焼器温度が最大値となったのに対し、HTPB-APの場合、GG燃焼温度が1300Kのとき、ラム燃焼器温度が最大値となった。このことは、HTPB-APの場合、GG燃焼温度を比較的高めに設定する必要があるのに対し、エタノール-ニトロメタンの場合、タービン15の耐熱温度の上限値までGG燃焼温度を設定すれば、ラム燃焼器温度を最大化できることを示している。 In the case of ethanol-nitromethane, the ram combustor temperature reaches its maximum value when the GG combustion temperature is approximately 1100K, whereas in the case of HTPB-AP, the ram combustor temperature reaches its maximum value when the GG combustion temperature is 1300K. became. In the case of HTPB-AP, it is necessary to set the GG combustion temperature relatively high. It shows that the ram combustor temperature can be maximized.

図8は、エタノールとニトロメタンとの重量比を変化させた場合のGG燃焼温度のシミュレーション結果を示すグラフである。縦軸は、エタノール(F)に対するニトロメタン(O)の比、横軸は、GG燃焼温度(K)である。 FIG. 8 is a graph showing simulation results of GG combustion temperature when the weight ratio of ethanol and nitromethane is changed. The vertical axis is the ratio of nitromethane (O) to ethanol (F), and the horizontal axis is the GG combustion temperature (K).

タービン15の耐熱性を考慮すると、GG燃焼温度が約1100Kに設定する必要があるが、このときのO/F比が約1.8である。このため、エタノールとニトロメタンとの重量比がエタノール:ニトロメタン=1.0:1.8であることが好ましいことが理解できる。 Considering the heat resistance of the turbine 15, it is necessary to set the GG combustion temperature to about 1100K, and the O/F ratio at this time is about 1.8. Therefore, it can be understood that the weight ratio of ethanol to nitromethane is preferably ethanol:nitromethane=1.0:1.8.

(実施例2)
本検証では、実施例1と同一のGG-ATRエンジンの燃焼状態を解析するための解析モデルを用いて、エタノール-ニトロメタン、メタノールとニトロメタンとからなる推進剤(以下、「メタノール-ニトロメタン」と称する。)、エタノール-ニトロメタンにメチルアミンを添加した推進剤(以下、「メチルアミン添加推進剤」と称する。)を燃焼させた場合における燃焼状態のシミュレーションを実施した。
(Example 2)
In this verification, using the same analysis model for analyzing the combustion state of the GG-ATR engine as in Example 1, a propellant composed of ethanol-nitromethane, methanol and nitromethane (hereinafter referred to as "methanol-nitromethane" ) and a propellant obtained by adding methylamine to ethanol-nitromethane (hereinafter referred to as "methylamine-added propellant").

各シミュレーションにおけるエンジンパラメータ条件は、図4の「エタノール-ニトロメタン」の場合と同一である。なお、なお、メチルアミン添加推進剤は、エタノール90%、メチルアミン10%の重量比で燃料を含むものとした。 The engine parameter conditions in each simulation are the same as for "ethanol-nitromethane" in FIG. The methylamine-added propellant contained fuel in a weight ratio of 90% ethanol and 10% methylamine.

図9は、図5と同様に、各推進剤を燃焼させた場合の比スラストのシミュレーション結果を示すグラフである。縦軸は、比スラスト(kgf sec/kg)であり、横軸は、GG燃焼温度(K)である。メチルアミン添加推進剤の比スラストは、エタノール-ニトロメタンとほぼ一致する。また、メタノール-ニトロメタンの比スラストは、GG燃焼温度が約1000K以下の範囲においてエタノール-ニトロメタンよりも大きいことが見て取れる。 FIG. 9, like FIG. 5, is a graph showing a simulation result of specific thrust when each propellant is burned. The vertical axis is specific thrust (kgf sec/kg), and the horizontal axis is GG combustion temperature (K). The specific thrust of the methylamine-added propellant closely matches that of ethanol-nitromethane. It can also be seen that the specific thrust of methanol-nitromethane is greater than that of ethanol-nitromethane in the range of GG combustion temperatures below about 1000K.

図10は、図6と同様に、各推進剤を燃焼させた場合のIspのシミュレーション結果を示すグラフである。縦軸は、Isp(sec)であり、横軸は、GG燃焼温度(K)である。メチルアミン添加推進剤のIspは、エタノール-ニトロメタンと略一致する。また、メタノール-ニトロメタンのIspは、GG燃焼温度が約1050K以下の範囲においてエタノール-ニトロメタンよりも大きいことが見て取れる。 FIG. 10, like FIG. 6, is a graph showing the simulation results of Isp when each propellant is burned. The vertical axis is Isp (sec) and the horizontal axis is GG combustion temperature (K). The Isp of the methylamine-added propellant approximately matches that of ethanol-nitromethane. It can also be seen that the Isp of methanol-nitromethane is greater than that of ethanol-nitromethane in the range of GG combustion temperature below about 1050K.

図11は、図7と同様に、各推進剤を燃焼させた場合のラム燃焼器温度のシミュレーション結果を示すグラフである。縦軸は、ラム燃焼器16の温度(K)であり、横軸は、GG燃焼温度(K)である。メチルアミン添加推進剤のラム燃焼器温度は、エタノール-ニトロメタンと略一致する。また、メタノール-ニトロメタンのラム燃焼器温度は、GG燃焼温度が約1000K以下の範囲においてエタノール-ニトロメタンよりも大きいことが見て取れる。 FIG. 11, like FIG. 7, is a graph showing simulation results of the ram combustor temperature when each propellant is burned. The vertical axis is the temperature (K) of the ram combustor 16 and the horizontal axis is the GG combustion temperature (K). The ram combustor temperature for the methylamine-added propellant approximately matches that for ethanol-nitromethane. It can also be seen that the ram combustor temperature for methanol-nitromethane is greater than that for ethanol-nitromethane in the range of GG combustion temperatures below about 1000K.

以上から、エタノール-ニトロメタンに着火性を向上させるためのメチルアミンを添加しても、エタノール-ニトロメタンと同等の推進性能を実現できることを確認できた。また、GG-ATRエンジン用推進剤のエタノールをメタノールに置き換えたとしても、エタノール-ニトロメタンとほぼ同等の推進性能を実現できることを確認できた。 From the above, it was confirmed that the same propulsion performance as ethanol-nitromethane can be achieved even if methylamine is added to ethanol-nitromethane to improve ignitability. It was also confirmed that even if the ethanol used as the propellant for the GG-ATR engine was replaced with methanol, propulsion performance almost equivalent to that of ethanol-nitromethane could be achieved.

なお、エタノール-ニトロメタンは、小型ガソリンエンジンの助燃剤としても用いられている。しかし、GG-ATRエンジンと小型ガソリンエンジンとでは、エタノール-ニトロメタンの燃焼形態が大きく異なる。より詳細に説明すると、GG-ATRエンジンでは、ガスジェネレータ14において酸素が存在しない状態でメタノール-ニトロメタン自体が燃焼されるのに対し、小型ガソリンエンジンでは、燃料であるガソリンの燃焼を助けるために用いられ、酸素が供給されている状態でガソリンと共に燃焼される。 Ethanol-nitromethane is also used as a combustion improver for small gasoline engines. However, the GG-ATR engine and the small gasoline engine differ greatly in the ethanol-nitromethane combustion mode. More specifically, in the GG-ATR engine, the methanol-nitromethane itself is burned in the absence of oxygen in the gas generator 14, whereas in the small gasoline engine, it is used to help burn the gasoline fuel. and combusted with gasoline in the presence of oxygen.

(変形例)
本発明は上記の実施形態に限られず、以下に述べる変形も可能である。
(Modification)
The present invention is not limited to the above embodiments, and modifications described below are possible.

上記実施の形態では、アルコールとメチルアミンとを含む推進剤をGG-ATRエンジ用推進剤として用いていたが、本発明はこれに限られない。例えば、アルコールとメチルアミンとを含む推進剤を他のタービン駆動用ガスジェネレータに用いてもよい。タービン駆動用ガスジェネレータは、例えば、ロケットエンジン用のターボポンプを駆動するために用いられてもよい。 In the above embodiment, the propellant containing alcohol and methylamine was used as the GG-ATR engine propellant, but the present invention is not limited to this. For example, propellants containing alcohol and methylamine may be used in other turbine driven gas generators. Turbine-driven gas generators may be used, for example, to drive turbopumps for rocket engines.

上記実施の形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の趣旨を逸脱しない範囲でさまざまな実施の形態が可能である。各実施の形態や変形例で記載した構成要素は自由に組み合わせることが可能である。また、特許請求の範囲に記載した発明と均等な発明も本発明に含まれる。 The above embodiments are examples, and the present invention is not limited to these, and various embodiments are possible without departing from the scope of the invention described in the claims. The components described in each embodiment and modifications can be freely combined. In addition, inventions equivalent to the inventions described in the claims are also included in the present invention.

1 GG-ATRエンジン
11 タンク
12 エアインテーク
13 圧縮機
14 ガスジェネレータ
15 タービン
16 ラム燃焼器
17 ノズル
1 GG-ATR engine 11 tank 12 air intake 13 compressor 14 gas generator 15 turbine 16 ram combustor 17 nozzle

Claims (5)

アルコールとニトロメタンとを混合してなり、前記アルコールよりも前記ニトロメタンの重量の方が大きくなるように混合されているタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤。 A propellant for a gas generator for driving a turbine, comprising a mixture of alcohol and nitromethane, wherein the weight of the nitromethane is greater than the weight of the alcohol. 前記アルコールは、エタノール、メタノール、プロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール及びグリセリンからなる群より少なくとも一つが選択される、
請求項1に記載のタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤。
The alcohol is at least one selected from the group consisting of ethanol, methanol, propanol, ethylene glycol, propylene glycol and glycerin.
A propellant for a gas generator for driving a turbine according to claim 1.
アルコールとニトロメタンとを混合してなり、前記アルコールは、エタノールであり、前記エタノールに対する前記ニトロメタンの重量比は、0.8~2.5の範囲内であるタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤。 A mixture of alcohol and nitromethane, wherein the alcohol is ethanol, and the weight ratio of the nitromethane to the ethanol is 0.5 . 8 to 2 . 5 propellant for turbine-driven gas generators. メチルアミンが添加されている、
請求項1から3のいずれか1項に記載のタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤。
with added methylamine,
A propellant for a gas generator for driving a turbine according to any one of claims 1 to 3.
請求項1から4のいずれか1項に記載のタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤の製造方法であって、
前記アルコールと前記ニトロメタンとをそれぞれ計量する計量工程と、
前記計量工程で計量された前記アルコールと前記ニトロメタンとを混合する混合工程と、
を含むタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤の製造方法。
A method for producing a propellant for a gas generator for driving a turbine according to any one of claims 1 to 4,
a weighing step of respectively weighing the alcohol and the nitromethane;
a mixing step of mixing the alcohol and the nitromethane weighed in the weighing step;
A method for producing a propellant for a gas generator for driving a turbine comprising:
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