(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料（１３）又は爆発物の自然発火温度よりも低い作動温度において、燃料（１３）又は爆発物を燃焼し、少なくとも二つの物質（５、６）が互いに発熱反応を生じるものを備える装置（１）において、
少なくとも一つの第１の物質（５）は、装置の作動温度よりも低い温度において液状の集合状態で存在し、少なくとも第２の物質（６）と少なくとも一つの耐圧性の障壁（７）により分離されており、作動温度に達したとき、耐圧性の障壁（７）は、第１の物質（５）と第２の物質（６）との間の接触を可能にすることを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、
耐圧性の障壁（７）は、少なくとも一つの材料を含み、その材料の融点が装置（１）の作動温度と少なくとも等しいことを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置において、
耐圧性の障壁（７）は、少なくとも一つの流通開口部（１４）を備えており、その流通開口部（１４）が、装置（１）の作動温度と等しい融点の材料により閉鎖されていることを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置において、
耐圧性の障壁（７）は、少なくとも一つの薄膜（１０）で形成され、その薄膜（１０）は穿刺機構（１１）を備えていることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置において、
耐圧性の障壁（７）は、少なくとも一つの流通開口部（１４）を備えたシール部材（１５）の形態をとり、その流通開口部（１４）は、装置（１）が作動温度に達するまで、ピストン（１６）により閉鎖されていることを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置において、
請求項２から５までのいずれかに記載された複数の耐圧性の障壁（７）を備えることを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項１から６までのうちのいずれか一項に記載の装置において、
少なくとも一つの第１の物質（５）には、装置（１）の作動温度よりも低いとき、少なくとも一つの第２の物質（６）よりも高い圧力が加えられていることを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項１から７までのうちのいずれか一項に記載の装置において、
その装置が固体燃料ロケットの燃焼室（８）の内部に配置されることを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項８に記載の装置において、
燃焼室（８）内に収容されている燃料（１３）は、その燃料（１３）の点火が少なくとも二つの物質（５、６）の装置（１）内の発熱反応によりなされるように、配置されていることを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装置において、
閉止部材（４）が設けられた排出開口部（１２）を備え、その閉止部材（４）は装置（１）の作動温度で溶融する材料を含んでいることを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の装置において、
燃焼室（８）内に収容された燃料（１３）の点火は、排出開口部（１２）から出る高温粒子及び／又は排出開口部（１２）から出る高温ガス流によりなされることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料又は爆発物の制御された燃焼をするための請求項１の前文に記載の装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特にロケット用固体燃料は、しばしば、その特性として、より高い温度において、より急速に燃焼し、ある状態においては、爆発さえしかねない。燃料のゆっくりとした加熱が、自然発火温度まで、外部の熱源によりされるとき、例えば、航空母艦の火災のような事故によりされるとき、燃料がいきなり着火し、起爆剤のように爆発し、しばしば、壊滅的な結果を人員及び周囲にもたらすことがあり得る。このような不幸な事態を避けるために、好ましいことは、燃料の意図的な燃焼を爆発が起こるよりも前にすることである。
【０００３】
ロケットエンジンの燃焼の開始を燃料の自然発火温度よりも低い温度においてするために、ロケットエンジンに早期点火システムを設けることが知られており、その早期点火システムにおいては、燃料の点火は所定の作動温度ではなされるが、作動温度よりも低い温度においては作動することはないようにされており、望ましくない点火がされる危険はない。
【０００４】
燃料又は爆発物を燃焼するための請求項１の前文に記載されているようなシステムは、米国特許５，９５９，２３５Ａにおいて、既に知られている。
【０００５】
このシステムにおいては、一つの物質が、別の物質に埋め込まれており、その別の物質との間において発熱反応を生じる。これらの二つの物質の反応が生じるのは、そのうちの少なくとも一方が溶融し、他方の物質と混合し、発熱反応を生じたときである。すなわち、少なくとも一方の物質の融点が作動温度を決定し、そして、発熱反応の強さをも決定する。しかし、数少ない物質のみがこのような条件を満たしている。そのような条件を満たす物質は、これらの二つの物質の必要な強さにおける発熱反応が両方の物質が溶融したときのみ生じるとすれば、なおさら少なくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許５，９５９，２３５Ａ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、燃料又は爆発物を燃焼するための装置で、燃料を所定の態様で特定の温度で確実に点火するが、この温度よりも低い温度においては反応を生じさせない、広範な点火温度にも適したものを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、請求項１の装置により達成される。装置の有利な実施態様は、従属する請求項において取り扱われている。
【０００９】
本発明は、燃料又は爆発物について、燃料又は爆発物の自然発火温度よりも低い作動温度において、制御された燃焼をする装置である。本発明の装置は、少なくとも二つの物質を含んでおり、それらは互いに発熱反応を生じる。少なくとも一つの第１の物質は、装置の作動温度よりも低い温度においては、液状の集合状態において存在する。この第１の物質は、少なくとも、第２の物質とは、少なくとも一つの耐圧性の障壁により、分離されている。第２の物質は、作動温度において、固体の集合状態でもよい。この第２の物質は、好ましくは、大きな表面積を備えているものであり、したがって、例えば、粉末の形態でもよい。
【００１０】
第１の物質は、好ましくは、室温において固体であるものであり、特にロケットすなわち燃料の最大可能な貯蔵及び操作温度において、又は爆発物の最大可能な貯蔵及び操作温度において固体であるものであるが、それは、例えば、障壁から漏れたとき、この温度において、第２の物質と反応しないようにするためである。
【００１１】
このことが意味することは、第１の物質の融点は、摂氏で数度、例えば、１０度かそれよりも少ない温度のみ、作動温度より低ければよいということである。
【００１２】
ロケットエンジンの固体燃料推進剤の設計は、例えば、推進剤の固体が比較的低温に保持されるときは、ほぼ連続的に燃焼するようにされている。他方、固体燃料ロケットエンジンが、火炎により、例えば、自然発火温度、すなわち、摂氏１６０度又はそれ以上の温度まで加熱されたときは、爆燃又は爆発が生じることがある。
【００１３】
作動温度、すなわち、本発明の装置が作動する温度は、燃料又は爆発物の最大可能な貯蔵及び操作温度からできるだけ離れていなければならず、例えば、摂氏７０度は離れていなければならず、それにもかかわらず、燃料又は爆発物の自然発火温度からできるだけ離れていなければならない。ロケット燃料については、望ましい作動温度は、少なくとも摂氏９０度、とりわけ少なくとも摂氏１００度であり、大きくとも摂氏１５０度、とりわけ大きくとも摂氏１３０度である。作動温度が自然発火温度に近いほど、潜在的な爆発的反応はより激しくなり得る。
【００１４】
これにより、燃料又は爆発物の燃焼は、設定され、制御された態様で、燃料の自然発火温度よりも低い温度でなされる。
【００１５】
２つの物質の発熱反応は、ロケットの燃焼室の特定の位置、例えば、正面側、すなわち、ロケット噴射の反対側においてなされ、それにより、設定どおり、ロケット内にある燃料への点火を、特定の温度においてすることができる。したがって、作動温度は、好ましくは、燃料又は爆発物の自然発火温度よりも低くされており、その作動温度においては、燃料又は爆発物の燃焼は生じることがなく、望ましくない点火の危険は存在しないようにされている。
【００１６】
装置の一つの実施態様において、耐圧性の障壁は、少なくとも一つの材料からなり、その材料の融点は、装置の作動温度と少なくとも等しくされている。装置の作動温度においては、障壁の材料が溶融し、その際、第１の物質の液体が第２の物質に流入し、第２の物質と混合し、これにより発熱反応が発生し、その発熱反応が、熱、高温粒子及び／又は高温ガス流を発生させ、燃料又は爆発物に点火する。
【００１７】
装置の一つの実施態様において、耐圧性の障壁は、少なくとも一つの流通開口部を備えている。この流通開口部は、例えば、障壁の両側において開口し、可溶性の材料が充填された通路として設計されている。可溶性の材料の融点は、好ましくは、装置の作動温度と等しくされる。作動温度に達すると、その材料は溶融し、第１の物質が流通開口部を通り、第２の物質と接触し、これと混合しながら、これらの２つの物質の発熱反応を生じさせる。これらの２つの物質の発熱反応により、熱及び／又は高温粒子及び／又は高温ガス流を放出し、これらが装置から出て、燃料又は爆発物を点火する。
【００１８】
装置の一つの実施態様において、耐圧性の障壁は、少なくとも一つの薄膜で形成され、その薄膜は穿刺機構を備えている。薄膜が移動すると、穿刺機構が薄膜を穿刺し、そのとき、第１の物質は、作動温度で液状の集合状態にあり、第２の物質と接触し、これと混合しながら、発熱反応を生じさせ、そして、熱、高温粒子及び／又は高温ガス流を放出する。
【００１９】
装置の別の実施態様において、耐圧性の障壁は、シール部材の形態をとる。このシール部材は、少なくとも一つの流通開口部を備えており、このシール部材又はこれらのシール部材の各々は、装置の作動温度に達するまで、ピストンにより閉鎖されている。シール部材は、好ましくは、移動することができるようにされているが、作動温度よりも低い温度においては、第１の物質を第２の物質から分離するようにされる。装置の一つの実施態様においては、ピストンは、装置にしっかりと連結されており、シール部材の流通開口部を、装置の作動温度よりも低いときは、閉鎖している。第１の物質の部分の内圧が上昇すると、シール部材が移動し、ピストンがシール部材の流通開口部を開放し、第１の物質が第２の物質と接触する。このような構成においては、ピストンの移動の防止が、固体のハンダによりなされており、その結果、ピストンの移動が許容されるのは、固体のハンダが作動温度において溶融したときである。
【００２０】
装置の別の実施態様において、装置は、複数の耐圧性の障壁を備えており、それらは、１つ又はそれ以上の上述の障壁の実施態様のように設計されている。
【００２１】
一つの実施態様において、装置は、複数の耐圧性の障壁を有しており、少なくとも一つの第１の障壁は、融点が装置の作動温度と少なくとも等しい材料を含んでおり、少なくとも一つの第２の障壁は、薄膜により形成され、その薄膜は穿刺機構を備えており、少なくとも一つの第３の障壁は、シール部材を備えており、そのシール部材とともに、装置の作動温度よりも低いときは、ピストンにより閉鎖された流通開口部があり、及び／又は少なくとも一つの他の障壁は、少なくとも一つの完全な開口部を有し、その開口部は、融点が装置の作動温度と等しい材料により塞がれている。
【００２２】
耐圧性の障壁は、様々な実施態様における他の障壁と、任意の順序において、組み合わせてもよい。異なる原理で作動する複数の耐圧性の障壁を組み合わせることにより、装置の安全性が、望ましくない装置の作動に対して高められる。複数の障壁を組み合わせても、作動温度に達したときに作動することが確保され、燃料又は爆発物を制御された状態において燃焼することができる。
【００２３】
装置の一つの実施態様において、少なくとも一つの第１の物質の圧力は、少なくとも一つの第２の物質の圧力より、装置が作動温度よりも低い温度にあるときは、高くされている。
【００２４】
より高い圧力下において、第１の物質が第２の物質と接触することができるのは、障壁が除かれたとき、又は障壁が開放されたときであり、そして、第２の物質と混合することができるようになり、発熱反応が生じ、熱、高温粒子、及び／又は高温ガス流を発生させる。
【００２５】
一つの実施態様において、装置の配置は、ロケットの燃焼室の内部、特に固体燃料ロケットの燃焼室の内部になされる。
【００２６】
装置の一つの実施態様において、燃料又は爆発物は、ロケットの燃焼室内に収容され、その収容の態様は、燃料の点火が、自然発火温度よりも低い温度において、少なくとも二つの物質が発熱反応を装置内でするようにされている。
【００２７】
一つの実施態様において、装置は、開口部を備えており、その開口部は閉止部材により閉鎖されている。閉止部材は、好ましくは、装置の作動温度で溶融する材料により作られている。閉止部材が溶融するとき、開口部が開放され、装置内部の物質の高温粒子が装置から出ることができる。この出てきた高温粒子による点火が、ロケットの燃焼室内にある燃料又は爆発物になされる。
【００２８】
上述の装置を、ほかのロケット点火装置の構成において用いることができるのは、早期に制御された点火が望まれる、緩やかな外部からの加熱がされるようなときである。
【００２９】
上述の装置の説明を、更に詳細に、添付の図面を参照しながら、行う。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、概略的な装置の一つの実施態様の断面図である。
【図２】図２は、概略的なロケットエンジンの断面図である。
【図３】図３は、概略的な装置のほかの実施態様の断面図である。
【図４】図４は、概略的な装置のほかの実施態様の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１は、概略的に装置１の断面を示したものであり、装置１のハウジング２は、二つの別々のチャンバに、障壁３により、分けられている。左のチャンバには、第１の物質５が入っており、右のチャンバには第２の物質６が入れられている。第１の物質５は、装置の作動温度よりも低い温度においては、液体として存在する。
【００３２】
第１の物質と第２の物質との発熱反応は、例えば、酸化反応、中和反応又は水和反応でもよい。例えば、作動温度よりも低い温度で溶融する砂糖、グリセリン又はその他の作用物質のような還元剤が、アルカリ性過マンガン酸塩のような酸化剤と反応してもよい。さらに、例えば、塩酸のような酸、又は作動温度よりも低い温度において液体である別の物質と酸との混合物を、水酸化ナトリウムなどのアルカリ金属水酸化物のような塩基と反応させて、それにより発熱中和反応を起こすようにしてもよい。水や水性の混合物を、例えば、酸化カルシウムのようなアルカリ金属又はアルカリ土類金属の酸化物と混合し、発熱水和反応を起こすようにしてもよい。
【００３３】
これらの場合において、第１の物質５は、好ましくは、推進剤を含んでもよく、例えば、作動温度よりも低い温度においては水蒸気の状態における水などでもよく、このようにして、第１の物質５を、圧力の上昇により推進することにより、流通開口部１４を通し、第２の物質６が入れられたチャンバに入れることができる。
【００３４】
ここに示された装置１の実施態様の隔壁３は、二つの流通開口部１４を備えており、耐圧性の障壁７により閉鎖されている。これらの耐圧性の障壁７として好ましい材料は、装置１の作動温度において溶融し、流通開口部１４を開放するようなものである。耐圧性の障壁７は、低い融点のハンダ、すなわち、ビスマス及び／又は鉛を基材としたハンダのようなもので形成されることができる。
【００３５】
耐圧性の障壁７が溶融すると、第１の物質５及び第２の物質６は、互いに混合することができる。第１の物質５が液体として存在することから、第１の物質５及び第２の物質６は直ちに接触する。第１の物質５及び第２の物質６は、互いに発熱反応を接触時に生じ、このようにして装置１を加熱する熱を発生させる。
【００３６】
ここに示された実施態様において、装置１は、右のチャンバの外壁の部分に排出開口部１２を備えており、排出開口部１２は、初期状態においては、閉止部材４により閉鎖されている。閉止部材４を形成するために好ましい材料は、装置１の作動温度で溶融するものである。これは、例えば、ビスマス及び／又は鉛を基材としたハンダのような低い融点のものでもよい。第１の物質５及び第２の物質６が反応したとき、圧力の上昇が装置１の内部で発生し、これにより、第１の物質５及び第２の物質６の高温粒子及び／若しくはガス並びに／又はこれらの物質の反応生成物が、作動温度においては開放されている排出開口部４を通り、装置１から出ることができる。
【００３７】
図２は、概略的に、ロケットエンジン９の断面を示している。ロケットエンジン９の燃焼室８の内部において、装置１は、燃焼室８の正面の部分に配置されるが、それは、例えば、図１、図３及び４の例により描写されているようなものである。
【００３８】
装置１は、燃料１３に隣接して配置され、燃料１３はロケットエンジン９の燃焼室８内に収容される。装置１の内部の発熱反応により、目標どおりの点火が、ロケットエンジン９の燃焼室８に収容された燃料１３に対し、燃料１３の自然発火温度よりも低い温度においてされるが、その結果、燃料を制御された態様で燃焼することができるのであり、燃料１３の望ましくない爆発的な急速な燃焼は、ロケットエンジン９が外部から加熱されても生じることがない。燃料１３は、ロケットエンジン９の燃焼室８内に収容されているが、例えば、その点火は、装置１内の物質の発熱反応により、装置１から出る高温粒子又はガスによりすることができる。選択的には、燃料１３の点火を、装置１の高温のハウジング２によりすることもできる。
【００３９】
図３は、概略的に、装置１の別の実施態様を示しており、この実施態様において、耐圧性の障壁は、薄膜１０により形成されており、それにより、第１の物質５は、第２の物質６から分離されている。装置１の作動温度に達すると、第１の物質５は大きく膨張し、薄膜１０が穿刺機構１１と接触し、これにより、薄膜１０が少なくとも部分的に穿刺される。薄膜１０が穿刺された後、液状の集合状態にある第１の物質５が第２の物質６と接触する。第１の物質５及び第２の物質６が互いに発熱反応を生じることにより、熱が生成される。
【００４０】
図４は、装置１の別の実施態様を示しており、この実施態様において、耐圧性の障壁の構成は、ピストン１６及びシール部材１５による。シール部材１５は、第１の物質５を第２の物質から分離している。シール部材１５の流通開口部１４は、初期状態においては、ピストン１６により閉鎖されている。装置１が作動温度に達すると、第１の物質５が膨張し、シール部材１５が第２の物質６に押し付けられ、これにより、流通開口部１４は、第１の物質５が特定の膨張容積に達すると、開放される。第１の物質５が第２の物質６と接触し、そのとき発熱反応が起こり、それにより、熱、高温粒子及び／又は高温ガス流が放出される。
【００４１】
装置の実施態様として想定し得るもののうち、限られた数のものしか、これらの例においては描写されていないが、本発明は、これらの描写された実施態様に限定されるものではない。例えば、原則として、図１、図３、及び図４に順次描写されている耐圧性の障壁の幾つかを、互いに任意の順序で組み合わせることも可能であり、それにより確実に第１及び第２の物質を装置内で互いに分離することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１  装置
２  装置１のハウジング
３  隔壁
４  閉止部材
５  第１の物質
６  第２の物質
７  障壁
８  燃焼室
９  ロケットエンジン
１０  薄膜
１１  穿刺機構
１２  排出開口部
１３  燃料
１４  流通開口部
１５  シール部材
１６  ピストン
【図１】
0005760148.tif 000002
【図２】
0005760148.tif 000003
【図３】
0005760148.tif 000004
【図４】
0005760148.tif 000005