(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体ガス発生組成物の端面燃焼推進剤グレインであって、前記推進剤グレインは、発火端面及び縦軸線を有し、
前記推進剤グレインは、マトリックス推進剤燃焼率を有するマトリックス推進剤と、前記マトリックス推進剤に埋め込まれた弾道制御推進剤のロッドと、を具備し、
前記弾道制御推進剤は、前記マトリックス推進剤燃焼率よりも実質的に大きい弾道制御推進剤燃焼率を有し、前記ロッドは、前記推進剤グレインの発火端で終端し、
前記マトリックス推進剤は、下記群から選択された成分、
ビス−ニトロフラザニルフロキサン、３，３’−ジニトロ−４，４’−フラザニルオキサミド、メチレン−ビス−アミノニトロフラザン、２，４，６，８，１０，１２−ヘキサニトロ−２，４，６，８，１０，１２−ヘキサアザイソウルチタン、及びアンモニウム２−オキシ−５−ニトロテトラゾレートであり、
前記マトリックス推進剤は、金属燃料及びハロゲン含有添加物が全く無く、かつ、鉛、鉛化合物、及び鉛塩が全く無い、端面燃焼推進剤グレイン。
【請求項２】
前記ロッドは、前記縦軸線と実質的に平行である、請求項１記載の端面燃焼推進剤グレイン。
【請求項３】
複数のロッドを備え、全ての前記複数のロッドは、前記縦軸線と実質的に平行である、請求項１記載の端面燃焼推進剤グレイン。
【請求項４】
前記弾道制御推進剤燃焼率は、前記マトリックス推進剤燃焼率の１．３〜１０倍である、請求項１記載の端面燃焼推進剤グレイン。
【請求項５】
前記弾道制御推進剤燃焼率は、前記マトリックス推進剤燃焼率の１．５〜３倍である、請求項１記載の端面燃焼推進剤グレイン。
【請求項６】
前記弾道制御推進剤燃焼率は、１３．７８９５２ＭＰａ（２０００ｐｓｉ）のときに、１．９ｃｍ／秒〜１２．７ｃｍ／秒であって、前記マトリックス推進剤燃焼率は、１３．７８９５２ＭＰａ（２０００ｐｓｉ）のときに、０．６４ｃｍ／秒〜５．１ｃｍ／秒である、請求項１記載の端面燃焼推進剤グレイン。
【請求項７】
前記弾道制御推進剤燃焼率は、１３．７８９５２ＭＰａ（２０００ｐｓｉ）のときに、２．２ｃｍ／秒〜７．６ｃｍ／秒であって、前記マトリックス推進剤燃焼率は、１３．７８９５２ＭＰａ（２０００ｐｓｉ）のときに、１．０ｃｍ／秒〜２．５ｃｍ／秒である、請求項１記載の端面燃焼推進剤グレイン。
【請求項８】
前記弾道制御推進剤燃焼率は、前記マトリックス推進剤燃焼率よりも０．６４ｃｍ／秒〜５．１ｃｍ／秒速い、請求項１記載の端面燃焼推進剤グレイン。
【請求項９】
前記弾道制御推進剤燃焼率は、前記マトリックス推進剤燃焼率よりも１．０ｃｍ／秒〜２．５ｃｍ／秒速い、請求項１記載の端面燃焼推進剤グレイン。
【請求項１０】
前記弾道制御推進剤は、ニトロセルロース、高エネルギー可塑剤、及び高窒素燃焼率の調整剤を含む、請求項１記載の端面燃焼推進剤グレイン。
【請求項１１】
前記弾道制御推進剤は、
（ｉ）ニトロセルロース、
（ｉｉ）下記群から選択された成分、
シクロテトラメチレンテトラニトラミン、ブチルニトラトエチルニトラミン、ブタントリオルトリニトレート、ビス−ジニトロプロピルアセタル／フォーマル、及び、メチル／エチルニトラトエチルニトラミン、及び
（ｉｉｉ）下記群から選択された成分、
トリアミノグアニジニウムアゾテトラゾレート、グアニジニウムアゾテトラゾレート、１，１−ジアミノ−２，２−ニトロエテン、３，３’−ジアミノ−４，４’−アゾキシフラザン、及び２，６−ジアミノ−３，５−ジニトロピラジン−１−酸化物を含む、請求項１記載の端面燃焼推進剤グレイン。
【請求項１２】
前記推進剤グレインは、（弾道制御推進剤）：（マトリックス推進剤）の断面積の比率が、１×１０-4から３×１０-3である、請求項１記載の端面燃焼推進剤グレイン。
【請求項１３】
前記推進剤グレインは、（弾道制御推進剤）：（マトリックス推進剤）の断面積の比率が、３×１０-4から１×１０-3である、請求項１記載の端面燃焼推進剤グレイン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１０年６月１５日に出願された米国仮特許出願第６１／３５４，８５４号の利益を主張し、その記載内容を援用するものである。
【背景技術】
【０００２】
端面燃焼グレインは、安定的に長期間の燃焼ガス発生を必要とする固体推進剤ロケットモータ及び点火ガス発生器において使用される。これらの特性に加えて、端面燃焼グレインは、推進剤の剥離の可能性、及び銃弾又は破片からの衝撃による意図しない発火を減少させる。端面燃焼グレインは、モータが大容量の推進剤を収容することも可能にし、必要に応じて、推進剤は、モータケースに容易に設置されるカートリッジに搭載可能である。端面燃焼ロケットモータの実施例は、本来、スティンガー（米国陸軍により開発された低高度対空ミサイル）、ＡＲＣＡＳ（アトランティックリサーチコーポレーションにより開発された大気圏観測採取用の汎用ロケット）、及び標準ミサイルサステーナモータ（これもまたアトランティックリサーチコーポレーションにより開発された）である。
【０００３】
端面燃焼モータでは、推進剤グレインの長さが、推力持続時間を確立する一方、推力の大きさは、燃焼面の面積はもとより、推進剤の選択により決定される質量燃焼率に依存する。固体推進剤の質量燃焼率は、制限されているが、推進剤の配合は、より高い燃焼率を達成するために変更可能である一方、これらの変更は、煙、有毒ガス、又はその両方を発生する傾向がある。スティンガーのような携行型ロケットから発生した煙は、ユーザの視覚を不鮮明にして目を損傷する危険があり、飛行機又は陸上車両から打ち上げられた戦術ロケットから排出された煙は、パイロット又は運転手の視界を悪くする。また、煙は、ロケット打ち上げ元を示す視認可能な軌跡も残す。
【０００４】
これらの問題点に対処するために、煙の少ない最小煙の推進剤が開発されている。残念ながら、このような推進剤、特に、最小煙の推進剤の弾道特性は、概して好ましくない。何故ならば、これらの燃焼率は、「プラトー」又は「メサ」型の燃焼率、すなわち広範囲の作動圧力で温度に影響を受けない燃焼率とは対照的に、温度に依存するからである。「プラトー」又は「メサ」型の燃焼率を有する推進剤は、発射条件及び操作温度に関わらず、略定常的な推力を提供する能力がある。「プラトー」又は「メサ」型の燃焼率の態様を達成するように特に設計された燃焼率の調整剤は、しばしば、最小煙の推進剤に含まれている。そして、この目的のために、選択された調整剤は、米国特許第３，１３８，４９９号明細書（発明者：Ａ．Ｔ．キャンプ他、１９６４年６月２３日発行）に記載された、鉛塩及び鉛含有化合物である。しかしながら、鉛塩及び関連化合物は問題がある。これらは、有毒であり、推進剤の製造工程を複雑にし、特に、ロケットの使用を含む訓練演習の期間中に、人に有害な副産物を生じて、訓練演習が実施される環境に有害である。これらの理由から、最小煙推進剤を用いたロケット使用の訓練は、有毒副産物が生じることから、多大な費用がかかる改善を考慮しなければならない。
【０００５】
推力を増加するための燃焼表面積の拡大は、モータ直径を増加することにより達成可能であるが、これはその制約を有する、というのもモータ直径の大きさがどの程度可能かという実施上の制約があるためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第３，１３８，４９９号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、最小煙の推進剤として働く能力があり、修正指数、すなわち、高圧力での圧力変化に対する低くされた感圧性も有する推進剤グレインを有する端面燃焼ロケットモータに存在する。この発明の推進剤グレインは、燃焼過程中の燃焼面における局所的な凹部領域を生成し、このため、燃焼面にわたって単独燃焼又は均一燃焼中に形成された領域に比べて燃焼表面積が増大する。本発明のグレインは、推進剤が燃焼するときに、増大された面積を維持して拡大し、及び添加剤、特に、モータにより生成された有毒副産物の量を増加させる鉛塩及び鉛含有化合物なしに前記面積を維持して拡大する。
【０００８】
増大した表面積は、マトリックス推進剤の使用により達成される。マトリックス推進剤は、１以上の急速燃焼スティック、すなわち、マトリックス推進剤に埋め込まれた、全体としてグレインに対して小さな断面積のロッドを有する。スティックは、マトリックス推進剤の燃焼率よりも高い燃焼率を有する推進剤である。スティックは、燃焼開始表面からマトリックス推進剤本体内に延びる。そして、多くの場合において、これらは、マトリックス推進剤の全長に延びる。発火端面からグレインの発火と同時に、急速燃焼スティックにより生成された相対的に高い熱が、各スティックに最も近いマトリックス推進剤の領域を、離れた領域よりも速く燃焼させる。従って、マトリックス推進剤は、少なくとも略逆直円錐形として形成された局所的な凹領域が生成されて、各スティックから半径距離にほぼ比例した率で燃焼する。本発明の特定の実施の形態では、推進剤グレインは、発火より先の燃焼表面における小さい錐形状の凹部、又は、他の表面の特徴を含んで形成される。これらの表面の特徴は、燃焼中の凹領域の成長を開始すること、さもなければ、ロケットモータの初期性能を制御するのに役立つ。しかしながら、一般的には、モータの弾道は、燃焼率の性質の観点から、高い燃焼率スティックにより制御される一方、マトリックス推進剤は、推進剤の作動圧力及び燃焼特質の観点からロケットモータ性能を決定する。スティックの使用は、マトリックス材料の広い寛容域を可能とし、また、著しい性能の損失も、発煙の大きな増加も無しに、鉛のような金属添加物及び過塩素酸アンモニウムのような発煙材料を除去することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の範囲にある推進剤グレインの斜視断面図である。
【図２】図２は、図１のグレインの燃焼変化を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
スティックが形成される材料は、以降、「弾道制御推進剤」と言及される。そして、マトリックス推進剤は、当該技術分野において既知の多数の推進剤を含む固体ロケット推進剤である。弾道制御推進剤及びマトリックス推進剤は、これらの燃焼率により互いに区別可能である。本発明の任意の単一の実施の形態で使用される特定の材料は、広く多様にわたる。弾道制御推進剤の燃焼率が、マトリックス推進剤の燃焼率の約１．３〜１０倍、又は、約１．５〜５倍、又は、約１．５〜約３倍のときに、ほとんどの場合、最良の結果が得られる。燃焼率自身として表現されると、弾道制御推進剤は、例えば、１３．７８９５２ＭＰａ（２０００ｐｓｉ）のときに、約１．９cm/sec（０．７５in/sec）〜約１２．７cm/sec（５．０in/sec）又は、約２．２cm/sec（０．８５in/sec）〜約７．６cm/sec（３．０in/sec）の燃焼率を有し、そしてマトリックス推進剤は、１３．７８９５２ＭＰａ（２０００ｐｓｉ）のときに、約０．６４cm/sec（０．２５in/sec）〜約５．１cm/sec（２．０in/sec）、又は、約１．０cm/sec（０．４in/sec）〜約２．５cm/sec（１．０in/sec）の燃焼率を有し、２つの推進剤の燃焼率間の差異は、約０．６４cm/sec（０．２５in/sec）〜約５．１cm/sec（２．０in/sec）、そして好ましくは約１．０cm/sec（０．４in/sec）〜約２．５cm/sec（１．０in/sec）の範囲内となる。現在考慮された実施例では、弾道制御推進剤は、１３．７８９５２ＭＰａ（２０００ｐｓｉ）のときに約２．５cm/sec（１．０in/sec）の燃焼率を有し、そして、マトリックス推進剤は、１３．７８９５２ＭＰａ（２０００ｐｓｉ）のときに約１．４cm/sec（０．５５in/sec）の燃焼率を有する。
【００１１】
弾道制御推進剤は、同質推進剤、又は混合推進剤のいずれであってもよく、マトリックス推進剤についても同様である。混合推進剤は、燃料、酸化剤、及び結合剤、特に、高エネルギー酸化剤及び結合剤を含有可能である。実際、ここで使用された「推進剤」の用語は、高エネルギーポリマー、高エネルギー酸化剤、及び結合剤を含むように意図されており、推進剤の成分は、さらに、安定剤及び重合調整剤のような追加成分を含むことも可能である。弾道制御推進剤は、例えば、シクロテトラメチレンテトラニトラミン（ＨＭＸ）、シクロトリメチレントリニトラミン（ＲＤＸ）、ブチルニトラトエチルニトラミン（ＢｕＮＥＮＡ）、ブタントリオルトリニトレート（ＢＴＴＮ）、ビス−ジニトロプロピルアセタル／フォーマル（ＢＤＮＰＡ／Ｆ）、又は、メチル／エチルニトラトエチルニトラミン（Ｍｅ／Ｅｔ  ＮＥＮＡ）のような高エネルギー可塑剤と結合して、さらに、例えば、トリアミノグアニジニウムアゾテトラゾレート（ＴＡＧｚＴ）、グアニジニウムアゾテトラゾレート（ＧＵｚＴ）、１，１−ジアミノ−２，２−ニトロエタン（ＦＯＸ−７）、３、３’−ジアミノ−４，４’−アゾキシフラザン（ＤＡＡＦ）、又は２，６−ジアミノ−３，５−ジニトロピラジン−１−酸化物（ＬＬＭ−１０５）のような高い窒素燃焼率調整剤と結合して、ニトロセルロースを含むことも可能である。弾道制御推進剤は、２０．６８４２８ＭＰａ（３，０００ｐｓｉ）のときに、２．５４ｃｍ／秒（１インチ／秒）より大きい燃焼率を有して、熱的に無反応である。マトリックス推進剤としては、特に関心のある高エネルギー化学成分の例は、シクロテトラメチレンテトラニトラミン（ＨＭＸ）、シクロトリメチレントリニトラミン（ＲＤＸ）、ビス−ニトロフラザニルフロキサン（ＢＮＦＦ）、３，３’−ジニトロ−４，４’−フラザニルオキサミド（ＤＮＦＯＡ）、メチレン−ビス−アミノニトロフラザン（ＭＢＡＮＦ）、２，４，６，８，１０，１２−ヘキサニトロ−２，４，６，８，１０，１２−ヘキサアザイソウルチタン（ＣＬ−２０）、及びアンモニウム２−オキシ−５−ニトロテトラゾレート（ＡＯＮＴ）である。弾道制御推進剤において、特定の場合、弾道制御推進剤及びマトリックス推進剤の両方の望ましい配合成分は、高圧力時における低感圧性を有する。この感圧性は、この技術分野では、修正指数として表される。修正指数は、燃焼室圧が増加したときに生じる推進剤の燃焼率における増加率の度合いである。好ましい配合成分は、作動圧力下で、修正指数が、「プラトー」又は「メサ」型の燃焼率反応を示し、多くの場合、修正指数は、６．８９４７６ＭＰａ（１，０００ｐｓｉ）のときに、０．５よりも小さくなるものである。
【００１２】
弾道制御推進剤スティックの厚さ、スティックの数、スティック相互の距離及びモータケーシングの壁からの距離、及びマトリックス推進剤内の位置（すなわち、相対的な位置）は、全て可変であり、本発明にとっては重要ではない。多くの、しかし全てではない、実施の形態では、スティックの数は、１〜３０であり、これの一部では、数は、３〜２０であり、そして、これらの一部では、数は、５〜２０である。好ましい実施の形態のスティックの直径は、約０．２５ｃｍ（０．１インチ）〜約２．５４ｃｍ（１．０インチ）の範囲であり、多くの場合、０．２５ｃｍ（０．１インチ）〜約０．５１ｃｍ（２．０インチ）である。スティック及びマトリックス推進剤の両方が含まれる推進剤グレインの全断面積に対するスティックの全断面積の比率の観点から述べると、この比率は、約１×１０−４から約３×１０−３となり、しばしば約３×１０−４から１×１０−３となるであろう。現在考慮された１つの実施の形態では、推進剤グレインは、埋め込まれた弾道制御推進剤の７つのスティックと一体となって、直径約１４ｃｍ（５．５インチ）、及び長さは約２６．７ｃｍ（１０．５インチ）、各スティックの直径が、略０．３６ｃｍ（０．１４インチ）、及び長さ２６．７ｃｍ（１０．５インチ）であり、１つのスティックは、グレインの中心に配置され、残りの６つは、中心周りで、中心からケーシング壁までの約２／３〜３／４の距離で円状に配置される。
【００１３】
弾道制御推進剤スティックは、モータケーシングの縦軸線又は、ケーシング壁の縦軸線に平行に整列可能であり、そして、中心軸線を有する直円柱のモータ用に、スティックは、しばしば前記中心軸線に平行とされる。単一のスティックが使用されたとき、スティックは、適切に中心軸線に沿って（完全に一致して）いる。２以上のスティックが使用されるときには、スティックは、前記軸線に沿った単一のスティック、又は、軸線から等距離の全てのスティックのいずれも、軸線周りに対称に配置可能である。軸線と平行なスティックの代替的な配置は、軸線に対して角度を付けられたスティックが、軸線に対して平行な構成要素となる整列である。これは、螺旋形状のステッィクと同様に、燃焼方向に対していずれの方向にしても軸線から外方に角度を付けられたスティックを含む。
【００１４】
弾道制御推進剤及びマトリックス推進剤を含む推進剤グレインは、モータケーシング内に直接形成されるか、又は、単一の結合した固体本体又はカートリッジとして予め形成されてケーシングに挿入され、このような全ての方法が、ロケット技術において既知である。スティックは、グレインにおける最終的な位置に基づいて、多くの場合、最初に形成されて配置され、マトリックス推進剤は、それから、スティックの周りに形成されて配置される。モータケーシング又はカートリッジケーシングに形成されたとき、マトリックス推進剤は、硬化性の結合剤を含んで、所定の場所で熱硬化する溶液又はスラリーから成形可能である。端面燃焼モータにおける推進剤グレインを形成する他の方法は、当該技術分野において、当業者に容易に明らかであろう。グレインは、局所化したガスポケット又は、意図した方向ではない方向、すなわち、端部表面から後部方向へのガス流を回避するために、隙間が無いように、それが投入されるケーシングに安定して接着可能である。ケーシング壁に接着されることは、同様に、例えば、グレインを結合本体に固める同一の結合剤の使用のような慣行的な手段により達成される。
【００１５】
マトリックス推進剤は、金属燃料が全く無くてよい。金属燃料の例としては、アルミニウム及びボロンである。そして、マトリックス推進剤は、塩素含有酸化剤を含むハロゲン含有添加物も全く無くてよい。塩素含有酸化剤の重要な例はアンモニウム過塩素酸塩エステルである。マトリックス推進剤は、同様に、鉛又は鉛化合物、鉛塩のような金属弾道調整剤が全く無くてよい。任意の形態の鉛が存在するとき、比較的薄いスティック形状の弾道制御推進剤の使用が、スティックへの鉛を制限することにより鉛の削減を可能とする。しかし、本発明の特定の実施の形態では、スティックを含む推進剤グレインのいかなる部分にも、鉛は、含まれていない。また、弾道制御推進剤及びマトリックス推進剤の両方も、ＲＤＸを使用しなくてよい。
【００１６】
図１及び図２は、本発明による推進剤グレインの構成の一実施例、及び推進剤グレインの燃焼変化を示す。
【００１７】
図１は、推進剤グレインの斜視横断面図であり、厚肉ケース１２により取り囲まれたブーツ１１に包含される推進剤グレインを示し、これら両方は、本来、中心縦軸線１３周りの回転体である。グレインは、弾道制御推進剤の７つのスティック１４を含み、１つのステッィクは、縦軸線１３に沿っており、残りの６個は、軸線１３の周りに円状に配置され、全てのスティックは、軸線１３に平行であり、推進剤グレインの全長にわたって延びる。推進剤グレインの残りは、マトリックス推進剤１５である。
【００１８】
図２は、ただ１つのスティック１４、特に、モータの軸線のスティック以外のスティックと交差する、縦軸線と平行であるが、軸線からオフセットを有する平面に沿った、モータの縦断面図である。特に、燃焼方向は、矢印２１により示され、及び初期燃焼面２２、すなわち、発火が生じる表面は、グレインの後面である。グレインの横線２３は、一番右寄り（燃焼面が平面）の開始（ｔ＝０）から時間の進行と共に左に進む、時間経過の燃焼変化を示す。燃焼変化に示されるように、錐形状の凹み２４は、燃焼の初期段階の燃焼表面を形成しており、凹みの直径は、燃焼が燃焼面の平坦な部分が全く無くなるところまで進むにつれて増加する。グレインの反対側における燃焼変化の傾斜線は、別のスティックの成長する錐形の一部分である。
【００１９】
先の説明は、主として、説明のために提示される。当該技術分野において当業者にとって明らかな、さらなる変更、変形、実例、及び置換は、同様に、本発明の範囲に含まれる。
【００２０】
本明細書に付属する請求項、又は、後に追加されるいかなる請求項においても、「ａ」又は「ａｎ」という語は、「１以上」を意味するように意図される。「comprise」、並びに「comprises」及び「comprising」のようなその変形の語は、工程又は要素の記述に先行するとき、さらなる工程又は要素の追加が、任意選択的であり及び排除されないことを意味するように意図されている。この明細書において引用された全ての特許、特許出願、及び他の公開された引用文献は、これにより、記載された全ての記載内容を本明細書に援用するものである。ここで引用されたいかなる引用文献又は、いかなる先行技術全般、及びこの明細書における明示的な教示間の不一致は、この明細書における教示を優先して解決されるように意図される。これは、用語又は句の技術的に暗黙に理解されている定義、及び同一の用語又は句のこの明細書において提供された明示的な定義間におけるいかなる不一致も含む。
【図１】
0005852106.tif 000002
【図２】
0005852106.tif 000003