(57)【要約】【解決手段】  本発明は、酸化剤または燃料としての反応成分の少なくとも一方を標準温度において液相または気相である相、例えば互いに溶解し合わない液体成分のエマルジョン、固体成分が液体成分中に懸濁した懸濁液または液体含浸堆積物が含有する、特に不均一な液体固体燃料よりなる、ロケット燃料のための、室温以下に冷却された（極低温の）単一系固体燃料を製造する方法において、燃料または酸化剤の状態の反応成分として包含された少なくとも１種類の液体または気体相を相互に連絡された空隙を有する固体構造物中に移し、該構造物が液相に対して相補するように形成された反応成分よりなり、そして液相が凍結によって固体構造物の内側で極低温固体相に転化され、該固体相が常温のもとで安定していることを特徴とする、上記方法に関する。
2005528469.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤または燃料としての反応成分の少なくとも一方が標準温度において液体または気体である相を含有する、例えば互いに溶解し合わない液体成分のエマルジョン、固体成分が液体成分中に懸濁した懸濁液または液体含浸堆積物よりなる特に不均一な液体固体燃料よりなる、ロケット推進のための室温より下に冷却された（極低温の）単一系固体燃料を製造する方法において、燃料または酸化剤の状態の反応成分としての少なくとも一方の液体または気体相を、相互に連絡された空隙を有しかつ液相に対して補完するように形成された反応成分よりなる固体構造物中に導入し、そして上記液相または気相を、固体構造物の内側で、常温より下で安定している極低温固体相に凍結によって転化することを特徴とする、上記方法。
【請求項２】
固体構造物として開放孔海綿状物、特に合成樹脂海綿状物および／または金属海綿状物、例えばポリエチレン−、ポリウレタン−、ＨＴＢＰ−、ＧＡＰ−、アルミニウム−、マグネシウム−またはベリリウム海綿状物を使用する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
固体構造物としてポリエチレン、ポリウレタン、ＨＴＰＢ、ＧＡＰ、ＡＰ、アルミニウム、マグネシウムまたはベリリウムあるいはそれらの混合物よりなる、周囲に注入された  (umgossen)堆積物が使用される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
液相が固体構造物中にそれの浸漬および／または含浸によって導入される請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
液相または気相として酸素、炭化水素、過酸化水素またはＨＥＤＭ−燃料が使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
固体構造物が液体燃料または酸化剤、特に酸素、炭化水素、過酸化水素またはＨＥＤＭ−燃料を凍結することによって作製される請求項１に記載の方法。
【請求項７】
液相を最初にカプセル化し、次いで固体構造物と混合しそしてバインダーによって接着する請求項１〜６のいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
液相をカプセル化し、固体構造物を凍結する前にこれと混合しそして次に両方を一緒に凍結する請求項１〜６のいずれか一つに記載の方法。
【請求項９】
燃焼速度を固体構造物中の特別な空隙の大きさを選択することによって調整する、請求項１〜８のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１０】
反応成分の少なくとも一方が標準温度において液体または気体である相である、例えば互いに溶解し合わない液体成分のエマルジョン、固体成分が液体成分中に懸濁した懸濁液または液体含浸堆積物である、ロケット推進のための、室温以下に冷却された（極低温の）固体燃料、特に不均一な疑似単一系の燃料−酸化剤−組合せ物において、反応成分の少なくとも１種類が冷却によって安定な状態に転化された固体物質を含有しそして反応成分の少なくとも１種類が相互に連絡される多孔質構造を有する凝集性の固体相として形成されていることを特徴とする、上記固体燃料。
【請求項１１】
固体相が合成樹脂海綿状物、特にＰＵＲ−、ＰＥ−、ＨＴＢＰ−、ＧＡＰ−海綿状物、金属海綿状物、例えばアルミニウム−、マグネシウム−またはベリリウム海綿状物、またはそれらの混合物よりなる請求項１０に記載の固体燃料。
【請求項１２】
固体相が安定した固体よりなる請求項１０に記載の固体燃料。
【請求項１３】
冷却によって安定な状態に転化された固体が酸素、炭化水素、過酸化水素またはＨＥＤＭ−燃料よりなる請求項１０に記載の固体燃料。
【請求項１４】
固体相が、反応成分としての凍結した液体を内部に保存している空隙が互いに連絡している任意に形成された個々の物質の堆積物よりなる、請求項１０〜１３のいずれか一つに記載の固体燃料。
【請求項１５】
凍結した反応成分が、均一な状態で存在しているのでなく、空隙に混ぜ込むことによって堆積物として存在する、請求項１４に記載の固体燃料。
【請求項１６】
固体相が、両方の反応成分を互いに化学的に隔離する保護外皮を有している請求項１０〜１５のいずれか一つに記載の固体燃料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化剤または燃料としての反応成分の少なくとも一方が標準温度において液相または気相である相を含有する、例えば互いに溶解し合わない液体成分のエマルジョン、固体成分が液体成分中に懸濁した懸濁液または液体含浸堆積物である、特に不均一な液体固体燃料よりなる、ロケット推進のための、室温より下に冷却された（極低温の）単一系(monergole) 固体燃料を製造する方法に関する。
【０００２】
本発明は更に、反応成分の少なくとも一方が標準温度において液体または気体である相である、例えば互いに溶解し合わない液体成分のエマルジョン、固体成分が液体成分中に懸濁した懸濁物または液体含浸堆積物である、ロケット推進のための室温より下に冷却された（極低温の）固体燃料、特に不均一な疑似単一系燃料−酸化剤−組合せ物に関する。      
【０００３】
従って本発明はロケット推進用の燃料の技術分野および固体燃料組合せ物を製造するおよび作製する技術分野に関する。このものは、本発明においては特定の幾何学的形態で存在する簡単なまたは調製された燃料ブロックを意味する。これは、非冷却貯蔵性の燃料の場合には機械的理由からパッキンとして、燃焼開始剤としてまたは他の理由で使用され、更に、極低温の固体の場合には場合によっては、保護手段、充填手段、取り出し手段または冷却手段として使用される取り付け部材または組み入れ部材を包含する。両方の場合に、これらは燃焼の際の駆動時に完全にまたは部分的に燃焼される。
【背景技術】
【０００４】
公知のあらゆるロケット燃料の場合には、これらの成分は液体および／または固体の凝集状態で存在しそして酸化剤または燃料として役立つ。若干のものは他の機能、例えばバインダーまたは添加物としての機能も有する。
【０００５】
凝集状態に無関係に、酸化剤機能および燃料機能を一体化している燃料は単一系（一成分燃料）といわれる。これらの機能を別々の成分に分配する場合には二成分系(Diergolen) と言う。
【０００６】
単一系はそれの相構成およびそれの分子組成によって並びにそれの凝集状態によって均一または不均一でもよい。液体燃料としての均一な単一系の例には過酸化水素、ヒドラジンおよびニトログリセリンがある。不均一な単一系は例えば互いに溶解しない液体成分同士のエマルジョンがある。
【０００７】
成分の少なくとも一方が常温において液体の相である非常に沢山のロケット推進用燃料が公知である（米国特許第２，８０２，３３２号明細書、同第３，３６７，２６８号明細書、同第３，３９８，２１５号明細書、同第３，６８７，７４６号明細書、同第３，６９７，４５５号明細書、同第３，７０３，０８０号明細書）。米国特許第２，８０２，３３２号明細書には沢山のセルで形成されている構造を有するロケット用液体燃料が開示されている。これらのセル中には少なくとも一種類の反応成分が存在している。セル様構造の壁はポリエチレン、テフロンまたはシリコーンゴムより成る。個々のセルは開口によって互いに連絡している。
【０００８】
米国特許第３，３６７，２６８号明細書に従う従来技術は、セル間マトリックスを形成する固体のポリマー製セル様ゴム物質で構成されるハイブリッドのロケット燃料に関する。このマトリックス中には粉末状固体燃料、例えば周期律表の第IIおよびIII 属の軽金属粉末、並びに補強用繊維が埋め込まれている。各孔は液体酸化剤を含有している。
【０００９】
米国特許第３，３９８，２１５号明細書には、硬化性ゴムポリマーを粉末状金属燃料および硬化剤と混合し並びに有機燃料で処理する、ロケット燃料組合せ物の製造方法が開示されている。ゴムポリマーはゴム様炭化水素およびハロゲン化された炭化水素ゴムよりなる群から選択される。金属燃料としてはアルミニウム、硼素、チタン、ベリリウム、マグネシウムおよびリチウムよりなる粉末が使用される。この有機燃料は７０〜２００℃で沸騰しそして上記ポリマーと相容性がある。これを１２０℃〜２０５℃の硬化温度のもとでこの複合材料中に蒸発させ、その際に孔あるいはセルがマトリックス中に形成される。海綿状物様マトリックスは金属燃料を含有しており、つながっている相を形成する。マトリックスを次に酸化剤液に浸漬して、上記孔に酸化剤液が満たされる。
【００１０】
これらの全ての公知の解決法は、非常に低い水準の効率しか達成せず、それの構成およびそれの取り扱いが複雑であるとう欠点で共通している。
【００１１】
燃料組合せ物を色々な幾何学的形態で製造することも公知である。しかしながらこれらは大まかには二つのカテゴリーに区分することができる。すなわち、主として放射状方向へ向けての燃焼を伴う内部バーナーと軸方向へ向けての燃焼を伴うに強く指向した燃焼を伴う正面バーナー(Stirnbrenner)の二つに区分することができる。
【００１２】
単一系燃料の他に、燃料および酸化剤を別々の要素として種々の幾何学的配置で含有するものが公知である。例えば放射状に燃焼する円盤状スターペル(stapel)またはロッド・イン・マトリックス・エンド・バーナー(Rod-in Matrix-Stirnbrenner)である(R.E.LO,N.EISENREICH; “Modulare und Kryogene Feststofftreibe(モジュラーのおよび極低温の固体燃料組合せ物)-eine neue Klasse chemischer Raketenantribe( 新しい種類のロケット用化学燃料) ”、Deutscher Luft- und Raumfartkongress, DGLR-JT98-104; Bremen, 7.10.1998; 年報 1998 、第 2巻、第1231頁) 。かゝる装置はモジュラー燃料組合せ物(modulare Treibsaetze)と称されている。大きなモジュール要素を有するモジュラー燃料組合せ物は二成分系( 二成分燃料) に属する。燃焼は、制御されていない爆発またはデートネーションへの移行が行なわれないかまたは容易には行なわれないいわゆる界面相燃焼として拡散炎の状態でおこなわれる。
【００１３】
モジュラー燃料から、カプセルに入れられた成分を有するものは区別するべきである。カプセル化の目的は反応性液体を互いに分離しそしてそれ故に長期間貯蔵性を向上させることである。カプセルの中には液体または非常に過敏な反応成分を閉じ込めることができる。小さいカプセルはバインダー中に無配向状態で閉じ込められており、マクロカプセルは配向した状態で配列されておりそしてバインダーまたは硬化性固体燃料が注入されている。カプセルの大きさが増し（R.M.MCCURDY 等、“Solid Propellant Grain Containing Metal Macrocapsules of Fuel and Oxidizer( 燃料および酸化剤の、固体推進剤粒子含有金属マクロカプセル) ”、米国特許第３，５２７，１６８号明細書参照）そして配向した配置の場合には、カプセル燃料はロッド・イン・マトリックス燃料(Rod-in-Matrix-Treibstoffe) の下位の群に移る。
【００１４】
要素の寸法が小さくなればなる程、および特に要素がもはや均一ではなくランダムに配置されている場合には、公知のあらゆる燃料の場合に不均一な単一系への流れる様な変換がある。この場合に生じる燃料組合せ物はよく“疑似単一系”と称される。  
【００１５】
単一系と二成分系との間の比較的に悪い同様の境界設定が、充填された海綿状( スポンジ状) 燃料および周囲に注入された燃料堆積物の場合に認められる。これらの両方の種類の燃料は、貯蔵性成分と一緒にロケット推進において実際に用いるのには殆ど興味をもてない点で、もちろん理由は相違するが、モジュラー燃料組合せ物と共通してる。モジュラー固体燃料の場合には、エネルギー的に興味のある貯蔵性燃料の選択範囲が狭く制限されている。液体燃料の選択範囲が広いので、固−液不均一堆積物および海綿状物の場合のこの制限は固体相についてだけ当て嵌まる。しかしながら本来の制限は、液相の分離を無条件で避けなければならない駆動装置条件のもとでの使用することが非常に制限されていることに基づいている。カプセルに入れることは、要求される複雑な製造条件が煩わしいが、一つの解決法である。モジュラーのロッド・イン・マトリックス燃料組合せ物の場合の様にカプセルが棒状物から大きいものに成長する場合には、液体を燃焼させるこの方法はもはや適していない。
【００１６】
貯蔵性の固体燃料組合せ物の他に、成分が常温で液体または気体である凍結した燃料よりなるものも提案されている。かゝる燃料をここでは極低温の固体燃料(Cryogenic Solid Propellants -CSF)とも称する。
【００１７】
単一系ＣＳＰは室温で流動性の凍結した単一系よりなる。モジュラーＣＳＰは単独では燃焼しない少なくとも１種類の凍結した要素から組成されている（米国特許第３，１３７，１２７号明細書）。モジュラーの、非単一系燃料要素の燃焼は原則として拡散性境界層燃焼であり、そのものは反応成分の流入に左右される。これが強力な流れによってでなく、対流によってのみ行われる場合には、反応は不規則であり、そして一般に行われる場合にはだらだらと長引く。それ故にモジュラー燃料組合せ物は、少なくとも一定の大きさの要素まで１種類以上の永久のトーチ点火用ジェネレーターを必要とする（米国特許第６，３１１，４７９号明細書）。
【００１８】
本発明はこれらの従来技術のもとで、極低温固体燃料の性能を慣用の固体推進、ハイブリド推進または液体推進作用に比較して向上させること、その貯蔵性および経済性が極低温燃料の恒久的点火装置を同時に省きながら、かつ必要とされる液体管理を避けながら合理的に改善するという課題に基づいている。
【００１９】
この課題は請求項１の特徴部分を有する冒頭に記載の方法および請求項１０の特徴部分を有する固体燃料によって解決される。
【００２０】
有利な実施態様は従属形式の請求項から読み取ることができる。
【００２１】
本発明の方法は、なかでも、不均一の液体−固体燃料の場合に液相の凍結によって該燃料が極低温の単一系固体燃料となり、それによって恒久的な点火装置を省くことができそして通常の液体固体疑似単一系の場合に発生する液体管理の問題も回避されることに特徴がある。
【００２２】
従って本発明は、成分の少なくとも一方が凍結した液体であるあらゆる疑似単一系の燃料−酸化剤−組合せ物にわたっている。
【００２３】
本発明は打ち上げ用ロケットの性能を著しく向上させる。さらに本発明は、運転の際の環境保護の他に、固体の炭化水素、例えばＰＥ、ＰＵ、ＨＴＰＢと関連して例えばＳＯＸまたはＳＨ2 Ｏ2 の様な適当な燃料候補を選択した場合に意義ある運転費用の節約およびそれ故の打ち上げ費用の節約をもたらす。極低温固体燃料ロケットの、ここでは関連のない、明らかな技術的問題にもかかわらず、このためにはロケット技術における潜在的に非常に大きな市場がある。
【００２４】
別の長所およびその詳細を添付の図面を引用しての以下の説明によって明らかにする。      
【００２５】
本発明を以下に実施例によって更に詳細に説明する。
【００２６】
図１は蓄えられた極低温相を有する固体構造物としてのポリマー海綿状物の切断面を示している。
【００２７】
図２は蓄えられた極低温相を有する固体構造物としてのアルミニウム製海綿状物の切断面を示している。
【００２８】
図３はポリエチレンと極低温相よりなる、周囲に注入された堆積物の切断面を示している。
【００２９】
本発明の固体燃料よりなるロケット燃料組合せ物を本発明の方法で製造する。
【００３０】
この固体燃料は図１に示す通り燃料としてのポリマー海綿状物（１）、例えばポリエチレンよりなるもの、および極低温酸化剤相（２）、例えば凍結した過酸化水素よりなる。固体相としてのこの海綿状物（１）は最初に、図示していない燃焼室壁の内部隔離手段のところで接着によって固定され、次いで過酸化水素が毛細管引力または圧力差の利用下に充填されそして必要な場合には次いで過冷によって海綿状物（１）中で凍結させる。過酸化水素は海綿状物（１）中で極低温相（２）として残る。
【００３１】
勿論、海綿状物（１）を直接的に燃焼室中で海綿状化することも可能である。これも本発明の範囲内にある。
【００３２】
本発明の固定燃料の燃焼は次いで燃焼室における古典的固体燃焼と同様に行い、その際に燃料は引火手段によって引火される。
【００３３】
図２には、凍結した酸素が孔に充填されている固相としてのアルミニウム海綿状物（３）が使用されている一つの例が示されている。本発明の固体燃料の製造は既に上述した様に行う。
【００３４】
図３は、充填後の凍結された室温で液体である酸化剤（５）が空隙に充填されているポリエチレン堆積物（４）が図示されている。
【００３５】
以下の表は、それぞれ二成分が挙げられている本発明の用途範囲を示している。この場合、成分の一方は酸化剤でありそしてもう一方が燃料であり、交換可能である。更にいずれの成分も異なる物質の均一なまたは不均一な混合物でもよい。特に、勿論、高エネルギーの物質、例えば高エネルギー密度の成分“ＨＥＤＭ”の代表例が成分または添加物として適しており、例えば安定化性マトリックス、膨張した化合物（例えばＣＵＢＡＮ）、弱い共有状態の化合物（ポリ窒素）中の分散性元素または分子、励起された原子または分子（トリプレット−ヘリウム）または金属性水素が適している。極低温は、必ず用途に関連するＨＥＤＭの安定化をもたらす。
【００３６】
これは各成分の位相関係の様々な可能性を受け入れることでもない。即ち以下の表にあらゆる場合において適切である限り海綿状物または堆積物がたとえ例として上げられていない場合でも、海綿状物または堆積物は重要であり得る。室温で、記載の凝集状態を有する物質を“貯蔵性”と言い、上述の理由の一つから一般に冷却が必要である場合には“極低温”と言う。
【００３７】
ロケットの固体燃料作用において全ての成分がそれらの性質からそれぞれの出発温度を有していることに立ち入る必要はない。
【００３８】
表：極低温の疑似単一系の形態
┌──────────┬──────────┬─────────────────│成分１              │成分２              │例                                ├──────────┼──────────┼─────────────────│貯蔵性固体物質      │極低温固体物質      │凍結した過酸化水素(SH2O2) または酸│                    │                    │素(SOX) を含浸した合成樹脂海綿状物│                    │                    │; 合成樹脂または金属よりなる埋包さ│                    │                    │れた燃料粒子を有する凍結したSH2O2 │                    │                    │またはSOX 
├──────────┼──────────┼─────────────────│貯蔵性固体物質      │極低温液体物質      │固体中に極低温成分を含有するカプセ│                    │                    │ルまたは筒状物                    ├──────────┼──────────┼─────────────────│極低温固体物質      │極低温固体物質      │あらゆる可能な疑似単一系組成物状態│                    │                    │の凍結した燃料と凍結した酸素、例え│                    │                    │ばSMOX( 固体メタンおよび固体酸素) ├──────────┼──────────┼─────────────────│極低温固体物質      │貯蔵性液体          │カプセルに入れられた液体燃料を有す│                    │                    │る凍結したＨ2 Ｏ2                 ├──────────┼──────────┼─────────────────│極低温固体物質      │極低温液体          │凍結した炭化水素とカプセルに入れら│                    │                    │れた液体酸素との組合せ            ├──────────┼──────────┼─────────────────│極低温液体          │極低温のまたは貯蔵性│追加的なバインダーによって貼り付け│                    │液体                │られている両方の成分を有するカプセ│                    │                    │ルの堆積物                        └──────────┴──────────┴─────────────────
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は蓄えられた極低温相を有する固体構造物としてのポリマー海綿状物の切断面を示している。
【図２】図２は蓄えられた極低温相を有する固体構造物としてのアルミニウム製海綿状物の切断面を示している。
【図３】図３はポリエチレンと極低温相よりなる注型された堆積物の切断面を示している。
【符号の説明】
【００４０】
１・・・海綿状物
２・・・極低温の酸化剤相
３・・・アルミニウム海綿状物
４・・・ポリエチレン堆積物
５・・・酸化剤  
【図１】
2005528469.tif 000003
【図２】
2005528469.tif 000004
【図３】
2005528469.tif 000005
【国際調査報告】
2005528469.tif 000006
2005528469.tif 000007
2005528469.tif 000008
2005528469.tif 000009
2005528469.tif 000010
2005528469.tif 000011