(57)【要約】【課題】一定の燃焼速度が得られるように他の部材からの影響等により発生する燃焼速度不均一を積極的に緩和したコンポジット固体推進薬およびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明のコンポジット固体推進薬の製造方法は、底部と円筒部とで囲まれたモータケース２の注型空間に推進薬構成材料となる未硬化スラリー１をノズル部側の開口部から充填後、硬化するものであり、未硬化スラリー１をモータケース２の円筒部内面近傍へ滴下又は連続的に注入して充填することを特徴とする。【選択図】図６
2010216446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底部と円筒部とで囲まれたモータケースの注型空間に推進薬構成材料となる未硬化スラリーをノズル部側の開口部から充填後、硬化するコンポジット固体推進薬の製造方法において、未硬化スラリーをモータケースの円筒部内面近傍へ滴下又は連続的に注入して充填することを特徴とするコンポジット固体推進薬の製造方法。
【請求項２】
前記コンポジット固体推進薬が端面燃焼型コンポジット固体ロケットモータ用のコンポジット固体推進薬であることを特徴とする請求項１に記載のコンポジット固体推進薬の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のコンポジット固体推進薬の製造方法で得られ、得られたコンポジット固体推進薬は、積層界面がモータケースの中心軸でノズル部側に凸となるように充填されていることを特徴とするコンポジット固体推進薬。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一定の燃焼速度が得られるように他の部材からの影響等により発生する燃焼速度の不均一を緩和したコンポジット固体推進薬およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体ロケットは信頼度が高く、長期保存が可能で、かつ初期加速度や推力が大きいという利点がある。そして、固体ロケットの推進薬がコンポジット固体推進薬である場合、未硬化の推進薬スラリーを直接モータケースや鋳型に流し込んで、そのまま静置状態で硬化させる直填方式が主な製造方法である。
【０００３】
端面燃焼型コンポジット固体ロケットモータにおいては、他の部材からの影響等によりモータケース内面近傍の燃焼速度が高まる現象がしばしば発生する。この局所的な燃焼速度の増大は、推進薬の組成、製造方法によらず様々な条件において発生するが、均一に燃焼が進行するように改善することが望まれている。
【０００４】
前記均一に燃焼を進行させるための推進薬の組成による改善方法として、例えば熱可塑性エラストマー、酸化剤、及び添加剤からなる均一な乾燥物を充填後、加熱・溶融させる方法が特許文献１に開示されている。
【０００５】
また、コンポジット固体推進薬においては、他の部材からの影響等によりモータケース内面近傍の燃焼速度が高まる機構が明確ではなく、積極的な抑制方法が未確立であるため個別に  経験的な対策を行っているのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１−２４９９５５号公報（第１頁）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記特許文献１に記載の方法では、熱可塑性エラストマーを必須成分とする、すなわちバインダー成分が熱可塑性エラストマーに限定されるため、コンポジット固体推進薬に求められる幅広い要求に対応できないという問題があった。
【０００８】
また、前記従来の経験的な手法では、燃焼速度以外の機能に影響を与えることのない軽微な変更が容易ではないという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明の目的とするところは、一定の燃焼速度が得られるように他の部材からの影響等により発生する燃焼速度の不均一を積極的に緩和したコンポジット固体推進薬およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明は、推進薬の注型工程におけるスラリーの流動方向又は積層界面の形状と燃焼速度の関係を利用し、スラリー同士の積層界面形状を、モータ中心部に行くに従って、その角度が急となるようにすることにより、モータ中心部分の燃焼速度を高めることができ、後述する、端面燃焼型モータにおける中高燃焼を緩和できるということを見いだしたものである。
即ち、本発明の第１の発明のコンポジット固体推進薬の製造方法は、底部と円筒部とで囲まれたモータケースの注型空間に推進薬構成材料となる未硬化スラリーをノズル部側の開口部から充填後、硬化するコンポジット固体推進薬の製造方法において、未硬化スラリーをモータケースの円筒部内面近傍へ滴下又は連続的に注入して充填することを特徴とする。
【００１１】
本発明の第２の発明のコンポジット固体推進薬の製造方法は、前記コンポジット固体推進薬が端面燃焼型コンポジット固体ロケットモータ用のコンポジット固体推進薬であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の第３の発明のコンポジット固体推進薬は、第１又は第２の発明のコンポジット固体推進薬の製造方法で得られ、得られたコンポジット固体推進薬は、積層界面がモータケースの中心軸でノズル部側に凸となるように充填されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の第１の発明では、未硬化スラリーをモータケースの円筒部内面近傍へ滴下又は連続的に注入して充填することにより、モータ中心部分の燃焼速度を高め、燃焼面の円錐状への成長を抑制でき、燃焼速度の不均一を緩和することができる。
【００１４】
本発明の第２の発明では、前記コンポジット固体推進薬が端面燃焼型コンポジット固体ロケットモータ用のコンポジット固体推進薬であるため、特に前記効果、すなわち燃焼速度の不均一を緩和する効果が著しいものとなる。
【００１５】
本発明の第３の発明では、推進薬が未硬化スラリー間の積層界面がモータケースの中心軸でノズル部側に凸となるように充填され、硬化したものであるため、ロケットモータの他構造部材からの影響等によって発生する燃焼速度の不均一に対して、それと逆の燃焼速度分布を持つ結果、燃焼速度の不均一による燃焼面積の増大を抑制し、設計段階で期待される一定の燃焼速度が得られる。特に端面燃焼型コンポジット固体ロケットモータの場合にその効果が著しい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】端面燃焼型ロケットモータの概要を示す断面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）端面燃焼型ロケットモータで発生する不均一燃焼を説明する断面図である。
【図３】本発明の推進薬における積層界面形状を示す断面図である。
【図４】（ａ）未硬化スラリーの積層の特性を説明する断面図、（ｂ）未硬化スラリーをモータケースの中心部へ滴下又は連続的に注入して得られる推進薬における積層界面形状を示す断面図である。
【図５】（ａ）実際の推進薬における積層界面形状を示す斜視図、（ｂ）硬化後の推進薬の切断面を示す写真の複写図である。
【図６】実施例１における本発明の推進薬の製造方法を示す断面図である。
【図７】図６に示す方法で得られた推進薬のモータ半径方向距離と燃焼速度との相関図（推進薬の燃焼速度の分布を示す相関図）である。
【図８】比較実験１における推進薬の製造方法を示す断面図である。
【図９】図８に示す方法で得られた推進薬のモータ半径方向距離と燃焼速度との相関図（推進薬の燃焼速度の分布を示す相関図）である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、底部と円筒部とで囲まれたモータケースの注型空間に推進薬構成材料となる未硬化スラリーをノズル部側の開口部から充填後、硬化するコンポジット固体推進薬の製造方法において、未硬化スラリーをモータケースの円筒部内面近傍へ滴下又は連続的に注入して充填することを特徴とするコンポジット固体推進薬の製造方法、好ましくは端面燃焼型コンポジット固体ロケットモータの製造方法である。
【００１８】
前記未硬化スラリーの構成材料としては、特にその組成を限定するものではないが、例えば酸化剤、燃料を兼ねるバインダー、硬化剤若しくは架橋剤、結合剤、可塑剤、燃焼触媒、金属燃料、振動燃焼抑制剤などを適宜配合させたものである。
【００１９】
前記未硬化スラリー１を充填するモータケース２は、図１に示すように例えば円筒部の片側端に底部を取り付けた片開口型の円筒形状であり、その材質としては例えば金属又は繊維強化プラスチックなどが用いられる。このモータケース２の円筒部および底部の内面には、燃焼ガスの温度からモータケース２を保護するために断熱材を被覆状に施工してもよい。また、モータケース２又は断熱材の表面には、未硬化スラリー１が硬化した推進薬との適切な接着力を得るためにプライマを塗布してもよい。その他、モータケース２には、ノズル３の取り付けや使用時の運用上必要な機械的構造を付与してもよい。また、モータケースに未硬化スラリーを直接注型するのではなく、一旦ゴム製の容器に未硬化スラリーを注型し、硬化した推進薬をゴム製容器ごとモータケースに組み込む方式の固体ロケットがあるが、その場合は、このゴム製容器が本願でいうモータケースに相当することは言うまでもない。
なお、未硬化スラリー１を硬化した推進薬も同じ符号１で示すが、未硬化スラリー１を注型し、硬化させる製造段階ではノズル３は取り付けられていない。
【００２０】
前記モータケースの円筒部内面近傍へ未硬化スラリーを滴下又は連続的に注入する方法の具体例としては、例えば未硬化スラリーで満たされ、かつ未硬化スラリーの流出口を備えた容器を、モータケース開口部の上部に設置し、この容器から未硬化スラリーの自重又は加圧により未硬化スラリーをモータケースの円筒部内面近傍、例えばモータケースの外周から直径の２０％地点で均等に滴下又は連続的に注入させる方法がある。ここで、開口部の上部に設置する容器は、未硬化スラリーの流出口を備えた混和容器と兼用してもよい。
【００２１】
また、モータケース内に充填された未硬化スラリー中の気泡を排除するためには、モータケースを高真空に掃気した槽内に置き、前記未硬化スラリーの容器の流出口を気密接続した真空注型の場合、上方のスラリー液面にかかる大気圧が未硬化スラリーを圧送する加圧源となる。一旦モータケース内部に滴下又は注入された未硬化スラリーは、自重により流動、変形をしてモータケース内部を満たしていく。スラリー流出口からモータケース内に滴下又は注入するまでの間に配管等を設置して、未硬化スラリーの流路を任意に調整することができる。
【００２２】
さらに、未硬化スラリーを充填した後、硬化させる方法としては、例えば硬化に適切な温度および湿度にコントロールされた室内又は加温槽内に、未硬化スラリーを注型したモータケース又は容器を適切な期間静置させて行う方法などがあるが、特にこれに限定するものではない。
【００２３】
前記のように未硬化スラリー注型方法を調整することにより、推進薬中の任意の位置の燃焼速度を高めたり、あるいは低減させることができる。
さらに、未硬化スラリーの注型方法のバリエーションによって、局所の燃焼速度に分布を持たせ、ロケットモータの設計を広げることができる。例えば注型時の未硬化スラリーの落着点を変えることにより、スラリー積層界面形状をコントロールすることが可能である。
【００２４】
また、未硬化スラリー１をモータケース２の円筒部内面近傍から滴下又は連続的に注入して充填することにより、図３に示すように前記未硬化スラリー１，１間の積層界面６がモータケース２の中心軸でノズル部３側に凸となるように充填することができるが、これは、以下の既知の特性を利用して行う。
【００２５】
前記未硬化スラリー１は、酸化剤、燃料を兼ねるバインダー、硬化剤若しくは架橋剤、結合剤、可塑剤、燃焼触媒、金属燃料、振動燃焼抑制剤などを配合させたものであって、固体の微粒子を多く含んだ高粘度流体である特性を有するため、注型の際にはモータケース２又は鋳型に小片づつ断続的に又は連続的に重なり合いながら落下する。
この未硬化スラリー１の落着箇所又は折り重なった箇所には、未硬化スラリー１，１同士の積層界面６が発生し、この積層界面６はその後に注型された未硬化スラリー１に押されて、積層構造を形成する。形成された積層界面６の形状は、スラリー１の注型方法によって変化するが、図４（ａ）に示すように未硬化スラリー１の落着点の直下近傍で積層界面６が水平になる特性がある。
【００２６】
未硬化スラリー１をモータケース２の中心部へ滴下又は連続的に注入させた場合には、図４（ｂ）に示すようにモータケース２の中心軸でノズル部３側に凹となる積層界面６の形状が得られる。これに対し、未硬化スラリー１をモータケース２の円筒部内面近傍へ滴下させた場合には、図３に示すようにモータケース２の中心軸でノズル部３側に凸となる積層界面６の形状が得られる。
そして、未硬化スラリー１の硬化中もこれらの積層構造は維持され、硬化後の完成した推進薬１内にもこの積層形状は残る。そのため、推進薬１では、この積層界面６を横断する方向に燃焼が進む場合に燃焼速度が低下し、逆に積層界面６に沿う方向に燃焼が進む場合に燃焼速度が増加することが経験的に知られている。
【実施例】
【００２７】
〔実施例１〕
未硬化スラリー１の滴下又は注入位置と、その後に形成される未硬化スラリー１，１間の積層界面５の形状を確認するために、図５（ａ），（ｂ）に示すように箱型の鋳型８の片側から意図的に異なる色に着色した未硬化スラリー１を順次滴下又は注入し、硬化後の切断面を観察した。なお、推進薬、すなわち硬化前の未硬化スラリー１の構成成分は、過塩素酸アンモニウム、末端水酸基ポリブタジエン、および硬化剤、可塑剤などからなり、具体的な配合は質量割合で、過塩素酸アンモニウムが８０％，末端水酸基ポリブタジエンを主成分とするバインダが２０％である。また、未硬化スラリー間の積層界面を可視化するために、微量の酸化鉄粉やカーボン粉を加えて着色した。無着色または着色した未硬化スラリーを開口部寸法が５０ｍｍ×１２０ｍｍで高さが１２０ｍｍ程度の箱状の鋳型に図５に示す要領で滴下又は注入した。
得られた未硬化スラリー１，１間の積層界面形状は、未硬化スラリー１の滴下又は注入位置で沈み込み、滴下又は注入位置から離れるにつれて上方に移動し、その角度は滴下又は注入位置から離れるにつれて急激になっていく様相であり、図５（ａ）では壁面である左端部は、図３に示すモータケース２の中心部、すなわち対称境界部に相当すると考えられるので、図５（ａ），（ｂ）に示すモータケース２の内面近傍へスラリー１を滴下又は注入する方法により、図３に示す積層界面形状を有する推進薬１が得られることになる。
【００２８】
実際のモータケース２への注型方法の一例を図６に示す。なお、本例での推進薬、すなわち硬化前の未硬化スラリー１の構成成分は過塩素酸アンモニウム６８％，末端水酸基ポリブタジエンを主成分とするバインダ１４％、および、アルミニウム粉１８％である。
開口部寸法φ５０ｍｍ、全長１５０ｍｍのモータケース２は、高真空に掃気された真空槽９の中に開口部を上にして設置され、それに跨って配される架台１３上に未硬化スラリー１を満たした容器１０がスラリー流出口１１を介して、かつ真空を保持できる気密構造で結合される。また、スラリー流出口１１のからモータケース２の開口部までの間に、未硬化スラリー１をモータケース２の内面近傍に誘導するための分岐部（１２）を備える。この分岐部（１２）の構造は多様に考えられるが、例えば図６に示すような、モータケース２の内面近傍に相当する周方向位置に孔を連続して備える構造の分岐容器１２を、前記のスラリー注型口１１に直結させる方法が考えられる。この実施例においては、未硬化スラリー１は上方の容器１０から大気圧および自重で下方に押し出され、スラリー流出口１１を経て分岐容器１２に誘導される。そして、分岐容器１２に未硬化スラリー１が満たされると、未硬化スラリー１は、分岐容器１２の底部にφ４５ｍｍの円状に２０箇所配置されたφ５ｍｍの孔よりモータケース２の内面近傍に滴下又は連続的に注入される。スラリー流量の制御は、スラリー流出口１１に備えたバルブ（図示せず）等を備えることで可能である。
【００２９】
前記実施例で用いた末端水酸基ポリブタジエン、過塩素酸アンモニウムおよび、金属燃料を主成分とする未硬化スラリーが硬化した推進薬においては、スラリー積層界面形状と燃焼速度の関係について、積層界面に沿って燃焼が進行する場合に燃焼速度が高まり、逆に積層界面を横断する方向に燃焼が進行する場合には燃焼速度が低下するという経験的な知見があるため、図３に示す積層界面形状を有する推進薬１の長さ方向の燃焼速度は、モータ半径方向距離と図７に示す関係を有している。このような燃焼速度の分布は、モータケース２の中心部で燃焼速度が高く、中心部を凹ませる効果があるので、図２に示す不均一燃焼で生じる凸状の円錐形状と相殺し、燃焼面を平坦に保つことを実現できる。
【００３０】
〔比較実験例１〕
比較実験例として、前記図６に示した実施例１の注型方法において、分岐容器１２を用いずにスラリー流出口１１から直接モータケース２の中心部へ未硬化スラリー１を滴下又は注入させた場合の例を述べる。
図８に比較実験例の注型方法を示す。前記図６の実施例１の注型方法と異なり、未硬化スラリー１は、上方の容器１０の流出口１１から分岐容器１２を経ずにφ５ｍｍの単孔から直接モータケース２の中央に滴下又は注入される。本例でのモータケースの形状は前記実施例と同様に開口部φ５０ｍｍで全長が１５０ｍｍの円筒である。この場合においては、既に説明したように図４（ｂ）に示されるモータケース２の中心軸でノズル部３側に凹となるスラリー積層界面形状が得られる。
そして、前記実施例１における実際のモータケース２への注型で用いたものと同様の成分で構成されるコンポジット推進薬においては、図９に示す燃焼速度の分布が得られる。図９に示す燃焼速度の分布の結果、燃焼速度の遅いモータ中心部の推進薬が次第に取り残されることになり、結果的には図２に示した本発明の解決課題である中高燃焼を発生する。なお、発明が解決しようとする課題で示した中高燃焼は、モータケース部材や燃焼領域の特性により、その原因の解明がなされておらず、その積極的制御が困難な現象であるのに対して、比較実験例１で示した注型により発生する中高燃焼は本発明で提供する手法により積極的に制御された状態である点においてその意味が異なる。
【符号の説明】
【００３１】
１  推進薬（未硬化スラリー）
２  モータケース
３  ノズル
４  初期の推進薬表面
５  燃焼中の推進薬の表面
６  推進薬スラリー間の積層界面
７  スラリーの流動の方向
８  鋳型
９  真空槽
１０  推進薬混和容器又は容器
１１  スラリー流出口
１２  分岐容器
１３  架台
【図１】
2010216446.tif 000003
【図２】
2010216446.tif 000004
【図３】
2010216446.tif 000005
【図４】
2010216446.tif 000006
【図６】
2010216446.tif 000007
【図７】
2010216446.tif 000008
【図８】
2010216446.tif 000009
【図９】
2010216446.tif 000010
【図５】
2010216446.tif 000011