(57)【要約】【課題】ハイブリッドロケットの固体燃料としてＨＴＰＢを用いる場合に、ＨＴＰＢの堅さを容易に調節でき、高価なＨＴＰＢの使用量を削減できるようにする。【解決手段】ハイブリッドロケット１０に使用される固体燃料であって、ＨＴＰＢ（Ｈｙｄｒｏｘｙｌ−Ｔｅｒｍｉｎａｔｅｄ ＰｏｌｙＢｕｔａｄｉｅｎｅ）に、プラスチック粒を混和してなる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイブリッドロケットに使用される固体燃料であって、
前記ハイブリッドロケットは、液体または気体の酸化剤と前記固体燃料を組み合わせて燃焼するロケットエンジンであり、
ＨＴＰＢ（Ｈｙｄｒｏｘｙｌ−Ｔｅｒｍｉｎａｔｅｄ ＰｏｌｙＢｕｔａｄｉｅｎｅ）に、プラスチック粒を混和してなる、ことを特徴とするハイブリッドロケットの固体燃料。
【請求項２】
前記プラスチック粒として、小粒のプラスチック粒と大粒のプラスチック粒を前記ＨＴＰＢに混和し、
前記小粒のプラスチック粒は、数百ミクロンの寸法を有し、前記大粒のプラスチック粒は、数ミリメートルの寸法を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドロケットの固体燃料。
【請求項３】
前記ＨＴＰＢと前記プラスチック粒との比率は、重量比でほぼ３対７である、ことを特徴とする請求項１または２に記載のハイブリッドロケットの固体燃料。
【請求項４】
前記プラスチック粒は、ポリスチレンの粒である、ことを特徴とする請求項１、２または３に記載のハイブリッドロケットの固体燃料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッドロケットに使用される固体燃料に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッドロケットは、液体または気体の酸化剤と固体燃料を組み合わせて燃焼するロケットエンジンである。図１は、ハイブリッドロケットの構成例を示す。図１のように、酸化剤２１は、酸化剤タンク２３に蓄えられ、固体燃料２５は、燃焼室２７内に収容される。酸化剤２１は、制御弁２８を通って燃焼室２７内に噴射される。燃焼室２７内で点火が行われ、酸化剤２１および燃焼ガスが、固体燃料２５の内孔２５ａを流れることで、内孔２５ａの側壁で燃焼が起こる。このように発生した燃焼ガスがノズル２９から噴出され、推進力が得られる。なお、ハイブリッドロケットの酸化剤や固体燃料は、例えば下記の特許文献１に記載されている。
【０００３】
ハイブリッドロケットの代表的な固体燃料として、末端水酸基ポリブタジエン (ＨＴＰＢ ：Ｈｙｄｒｏｘｙｌ−Ｔｅｒｍｉｎａｔｅｄ ＰｏｌｙＢｕｔａｄｉｅｎｅ)がある。ＨＴＰＢを固体燃料として用いる場合、ＨＴＰＢにカーボンブラックを混和している。ＨＴＰＢは、柔らかすぎるため（即ち、弾性率が低いため）、カーボンブラックを混和することで、堅さを調整する。カーボンブラックは、炭素の微粒子である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００３−５２３９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、カーボンブラックは、ＨＴＰＢに混ぜると、だまになりやすいので、カーボンブラックをＨＴＰＢへ均一に混ぜるのは困難である。
【０００６】
また、ＨＴＰＢは高価であるため、ＨＴＰＢの使用量を削減することが望まれる。ＨＴＰＢにカーボンブラックを混和して固体燃料を作製する場合、重量比で、固体燃料全体のうちカーボンブラックが数パーセントであり、残りがＨＴＰＢである。このように、固体燃料全体に対するＨＴＰＢの割合は重量比で１００パーセントに近くなり、ＨＴＰＢは高価であるため、固体燃料のコストが高くなる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、ハイブリッドロケットの固体燃料としてＨＴＰＢを用いる場合に、ＨＴＰＢの堅さを容易に調節でき、高価なＨＴＰＢの使用量を削減できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するため、本発明によると、ハイブリッドロケットに使用される固体燃料であって、
前記ハイブリッドロケットは、液体または気体の酸化剤と前記固体燃料を組み合わせて燃焼するロケットエンジンであり、
ＨＴＰＢ（Ｈｙｄｒｏｘｙｌ−Ｔｅｒｍｉｎａｔｅｄ ＰｏｌｙＢｕｔａｄｉｅｎｅ）に、プラスチック粒を混和してなる、ことを特徴とするハイブリッドロケットの固体燃料が提供される。
【０００９】
上述した本発明のハイブリッドロケットの固体燃料では、ＨＴＰＢに、プラスチック粒を混和してなるので、ＨＴＰＢの堅さを容易に調節でき、高価なＨＴＰＢの使用量を削減してコストを下げられる。プラスチック粒は、ＨＴＰＢに混ぜると、だまになりにくいので、ＨＴＰＢの堅さを容易に調節できる。しかも、プラスチック自体が燃料として機能するので、ＨＴＰＢに対するプラスチック粒の割合を多くできるため、高価なＨＴＰＢの使用量を削減できる。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態によると、前記プラスチック粒として、小粒のプラスチック粒と大粒のプラスチック粒を前記ＨＴＰＢに混和し、
前記小粒のプラスチック粒は、数百ミクロンの寸法を有し、前記大粒のプラスチック粒は、数ミリメートルの寸法を有する。
【００１１】
これにより、プラスチック粒の混和を容易にし、プラスチック粒のＨＴＰＢへの充填率を増やせる。小粒のプラスチック粒のみをＨＴＰＢに混和すると、混和の最中に固体燃料の粘度が上昇するため、プラスチック粒の混和がやや困難になる。一方、大粒のプラスチック粒のみをＨＴＰＢに混和すると、プラスチック粒のＨＴＰＢへの充填率が減少する。そこで、小粒と大粒のプラスチック粒をＨＴＰＢへ混和することで、その混和を一層容易にし、ＨＴＰＢに対するその充填率を増やせる。
【００１２】
また、本発明の好ましい実施形態によると、前記ＨＴＰＢと前記プラスチック粒との比率は、重量比でほぼ３対７である。
【００１３】
これにより、固体燃料のコストをほぼ１／３に低減できる。即ち、従来では、重量比で、高価なＨＴＰＢが固体燃料全体のほぼ１００パーセントを占めていたのに対し、本実施形態では、高価なＨＴＰＢが固体燃料全体の３０パーセントだけを占めるので、本実施形態では、従来よりも固体燃料のコストが１／３に低減される。
【００１４】
さらに、本発明の好ましい実施形態によると、前記プラスチック粒は、ポリスチレンの粒である。
【００１５】
ポリスチレンの粒は、ＨＴＰＢに混和された場合に、ＨＴＰＢから剥がれ落ちにくい。
【発明の効果】
【００１６】
上述した本発明によると、ハイブリッドロケットの固体燃料としてＨＴＰＢを用いる場合に、ＨＴＰＢの堅さを容易に調節でき、高価なＨＴＰＢの使用量を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ハイブリッドロケットの構成例を示す。
【図２】本発明の実施形態による固体燃料が使用可能なハイブリッドロケットの構成例を示す。
【図３】本実施形態による固体燃料の燃焼ガス圧を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明を実施するための最良の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１９】
本発明の実施形態による固体燃料は、酸化剤と組み合わせて燃焼させられるハイブリッドロケット１０に使用される。
【００２０】
図２は、本実施形態による固体燃料を使用できるハイブリッドロケット１０の構成例を示す。図２において、固体燃料３は、燃焼室５に設けられる。固体燃料３は、例えば円筒形に形成される。一方、酸化剤７は、酸化剤タンク９に蓄えられる。図２の例では、酸化剤７は、液体であり、例えば、液体酸素、過酸化水素、四酸化窒素、または亜酸化窒素である。液体の酸化剤７を燃焼室５へ噴射させるための加圧ガスを蓄積した加圧タンク１１が設けられる。酸化剤７は、加圧ガスに押されて制御弁１３を通って燃焼室５内に噴射される。燃焼室５内で点火が行われ、酸化剤７および燃焼ガスが、固体燃料３の内孔３ａを流れることで、内孔３ａの側壁（即ち、固体燃料３）で燃焼が起こる。このように酸化剤７と固体燃料３から発生した燃焼ガスがノズル１４から噴出され、推進力が得られる。なお、図２において、符号１５は弁を示す。
【００２１】
本実施形態によると、固体燃料３は、ＨＴＰＢ（即ち、Ｈｙｄｒｏｘｙｌ−Ｔｅｒｍｉｎａｔｅｄ ＰｏｌｙＢｕｔａｄｉｅｎｅ）に、多数のプラスチック粒（即ち、プラスチックの粒）を混和してなる。当該多数のプラスチック粒は、それぞれが一定の形状と体積を持つ。
【００２２】
本実施形態では、前記プラスチック粒として、数百ミクロンの寸法を持つ小粒と数ミリメートルの寸法を持つ大粒とを用いる。これにより、ＨＴＰＢへのプラスチック粒の混和を容易にし、プラスチック粒のＨＴＰＢへの充填率を増やせる。小粒のプラスチック粒のみをＨＴＰＢに混和すると、混和の最中に（即ち、プラスチック粒の混和量が増えるにつれて）固体燃料３の粘度が上昇するため、プラスチック粒の混和がやや困難になる。一方、大粒のプラスチック粒のみをＨＴＰＢに混和すると、固体燃料３の粘度上昇を抑制できるが、プラスチック粒のＨＴＰＢへの充填率が減少する。そこで、小粒と大粒のプラスチック粒をＨＴＰＢへ混和することで、その混和を容易にし、ＨＴＰＢに対するその充填率を増やせる。なお、前記プラスチック粒の前記寸法は、前記プラスチック粒の一端から他端までの長さであり、該長さが最大となる方向における前記プラスチック粒の一端から他端までの長さである。大粒のプラスチック粒と小粒のプラスチック粒との比率は、重量比で、４：６〜９：１であるのがよい。
【００２３】
このように、小粒と大粒のプラスチック粒を用いることで、固体燃料３全体に対する前記プラスチック粒の割合を、重量比でほぼ７割まで増やせる。即ち、前記ＨＴＰＢと前記プラスチック粒との比率を、重量比でほぼ３対７にできる。これにより、固体燃料のコストをほぼ１／３に低減できる。これに対し、従来では、重量比で、高価なＨＴＰＢが固体燃料３全体の１００パーセント近くを占めていた。従って、本実施形態において、前記ＨＴＰＢと前記プラスチック粒との比率を、重量比でほぼ３対７とすることで、固体燃料３全体に対する高価なＨＴＰＢの割合を、１００パーセント近くから３０パーセントに低減できるので、従来よりも固体燃料３のコストが１／３に低減される。
【００２４】
また、本実施形態では、前記各プラスチック粒は、ポリスチレンの粒である。本発明者は、ポリスチレンの粒をＨＴＰＢに混和した場合に、ポリスチレンの粒がＨＴＰＢから剥がれ落ちにくいことを確認した。この効果は、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンの中で、ポリスチレンが最も優れていた。即ち、ポリエチレン粒またはポリプロピレン粒をＨＴＰＢに混和させることも可能であるが、この場合には、前記大粒のポリエチレン粒またはポリプロピレン粒が、ＨＴＰＢから剥がれ落ちやすくなる。
【００２５】
上述した本実施形態のハイブリッドロケット１０の固体燃料３では、ＨＴＰＢに、プラスチック粒を混和してなるので、ＨＴＰＢの堅さを容易に調節でき、高価なＨＴＰＢの使用量を削減してコストを下げられる。プラスチック粒は、ＨＴＰＢに混ぜると、だまになりにくいので、プラスチック粒をカーボンブラックよりもＨＴＰＢに均一に混和でき、これによりＨＴＰＢの堅さを容易に調節できる。しかも、プラスチック自体が燃料（即ち、可燃剤）として機能するので、ＨＴＰＢに対するプラスチック粒の割合を多くできるため、高価なＨＴＰＢの使用量を削減できる。
【００２６】
また、本実施形態のハイブリッドロケット１０の固体燃料３では、プラスチック自体が燃料として機能するので、ＨＴＰＢに対するプラスチック粒の割合を多くしても、安定した燃焼が実現される。まず、本発明者は、実験により、前記小粒のプラスチック粒も大粒のプラスチック粒も、ＨＴＰＢと同様に燃焼することを確認した。また、図３は、本実施形態による固体燃料３の燃焼ガス圧を示すグラフである。図３において、横軸は時間を示し、縦軸は燃焼ガスの圧力を示す。また、図３において、グラフＡは、本実施形態の場合を示し、グラフＢは、ＨＴＰＢにカーボンブラックを混入してなる従来の固体燃料の場合を示す。図３から分かるように、本実施形態による固体燃料３では、従来の固体燃料とほとんど同じ燃焼ガス圧が得られる。
【００２７】
固体燃料３には、前記ＨＴＰＢと前記プラスチック粒以外に、他の可燃剤、助燃剤、硬化剤が含まれてよい、これら他の可燃剤、助燃剤、硬化剤の固体燃料３の全体に対する割合は、適宜定めてよい。
【００２８】
好ましくは、前記ＨＴＰＢに対して重量で９０％程度以下の割合で、前記プラスチック粒と、他の可燃剤または助燃剤とを前記ＨＴＰＢに加える。当該可燃剤としては、前記プラスチック粒ではない樹脂材料や木材等を用いることができ、当該助燃剤としては、Ａｌ、Ｍｇ、Ｂ、Ｚｒ等の金属（例えば粉末状の金属）を用いることができる。
【００２９】
また、前記ＨＴＰＢに対して重量で例えば１５％程度の割合で、硬化剤を固体燃料３に添加してよい。即ち、前記ＨＴＰＢと前記プラスチック粒と（必要であれば前記可燃剤または前記助燃剤も）を混和した後、固体燃料３に硬化剤を添加することで、これらを硬化させた固体燃料３を製作する。硬化剤として、例えば、イソホロンジイソシアネート（以下、ＩＰＤＩという）を用いることができる。この場合、ＨＴＰＢの構造に含まれるＯＨ基と、ＩＰＤＩ中に含まれるＮＣＯ基が反応・結合し硬化する。
【００３０】
本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、以下のように、本発明の要旨を逸脱しない範囲で上述の実施形態を変更してよい。
【００３１】
上述の実施形態では、固体燃料３に対し液体の酸化剤７を用いたが、酸化剤７は、気体（例えば、酸素や窒素酸化物）であってもよい。
【００３２】
上述の実施形態では、前記プラスチック粒として、数百ミクロンの小粒と数ミリメートルの大粒とを用いたが、本発明は、これに限定されない。即ち、本発明によると、前記プラスチック粒を前記ＨＴＰＢに混和することで、ＨＴＰＢの堅さを容易に調節でき、高価なＨＴＰＢの使用量を削減してコストを下げられればよく、このような効果が得られれば、上述の小粒と大粒の両方を用いなくてもよく、前記プラスチック粒の寸法も適切に選択してよい。
【００３３】
また、上述の実施形態では、前記ＨＴＰＢと前記プラスチック粒との比率は、重量比でほぼ３対７であったが、本発明によると、当該比率は、ほぼ３対７に限定されない。即ち、本発明によると、前記プラスチック粒をＨＴＰＢに混和することで、固体燃料３全体に対するＨＴＰＢの重量の割合が、従来よりも低減されればよい。
【００３４】
さらに、上述の実施形態では、前記プラスチック粒は、ポリスチレンの粒であったが、本発明によると、前記プラスチック粒は、ポリスチレンの粒に限定されない。例えば、前記プラスチック粒は、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル、ポリウレタン、またはポリ塩化ビニルであってもよい。なお、燃料の性能を示す最大比推力と最高火炎温度は、以下のデータのように、ＨＴＰＢと前記各プラスチックとで大きな差はない。即ち、真空における最大比推力は、ＨＴＰＢが３２１．７［ｓｅｃ］であるのに対し、ポリスチレンが３１６．３［ｓｅｃ］であり、ポリエチレンが３２５．１［ｓｅｃ］であり、ポリプロピレンが３２５［ｓｅｃ］であり、アクリルが３０５．５［ｓｅｃ］であり、ポリウレタンが３１１．７［ｓｅｃ］であり、ポリ塩化ビニルが２８３．５［ｓｅｃ］である。最高火炎温度は、ＨＴＰＢが３６２６．６［Ｋ］であるのに対し、ポリスチレンが３６８９．５［Ｋ］であり、ポリエチレンが３５７１．８［Ｋ］であり、ポリプロピレンが３５７１．８［Ｋ］であり、アクリルが３４６３［Ｋ］であり、ポリウレタンが３４７６［Ｋ］であり、ポリ塩化ビニルが３４２５．７［Ｋ］である。また、本発明によると、前記プラスチック粒は、燃料として機能すれば、上述以外の他のプラスチックであってもよい。
【符号の説明】
【００３５】
３  固体燃料、５  燃焼室、７  酸化剤、９  酸化剤タンク、
１０  ハイブリッドロケット（ロケットエンジン）、
１１  加圧タンク、１３  制御弁、１４  ノズル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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