(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルと、
ノズルと連通する固体推進剤セクションと、
を備えるロケットモータであって、固体推進剤セクションは、上面および下面を有する第１のエネルギーグレイン層と、上面および下面を有する第２のエネルギーグレイン層とを備え、第２の層は、第１の層の上部に位置し、第２のエネルギーグレイン層の下面は、第１のエネルギーグレイン層の上面に部分的に接し、第２のエネルギーグレイン層の下面および第１のエネルギーグレイン層の上面は、それらの間に微小ボイドを画成し、
ロケットモータは、ノズルの近くで微小ボイドの後ろにあるセクションを有する内側エネルギーグレイン層をさらに備え、ノズルの近くで微小ボイドの後ろにあるセクションは、中心軸に沿って軸方向に離間した一群の突出部を備えることを特徴とする、ロケットモータ。
【請求項２】
微小ボイドは、幾何学的形状を有することを特徴とする請求項１記載のロケットモータ。
【請求項３】
ロケットモータは、複数の微小ボイドをさらに備え、微小ボイドは、中心軸周りに周方向に均一に離間することを特徴とする請求項１記載のロケットモータ。
【請求項４】
微小ボイドは、径方向に延びたスロットであることを特徴とする請求項１記載のロケットモータ。
【請求項５】
微小ボイドは、中空の微小球を含むことを特徴とする請求項１記載のロケットモータ。
【請求項６】
第１のエネルギーグレイン層は、微小ボイドを備え、第２のエネルギーグレイン層は、中実であることを特徴とする請求項１記載のロケットモータ。
【請求項７】
突出部は、均一な軸方向厚みを有することを特徴とする請求項１記載のロケットモータ。
【請求項８】
ノズルと、
ノズルと連通する固体推進剤セクションと、
を備えるロケットモータであって、固体推進剤セクションは、上面および下面を有する第１のエネルギーグレイン層と、上面および下面を有する第２のエネルギーグレイン層とを備え、第２の層は、第１の層の上部に位置し、第２のエネルギーグレイン層の下面は、第１のエネルギーグレイン層の上面に部分的に接し、第２のエネルギーグレイン層の下面および第１のエネルギーグレイン層の上面は、それらの間に微小ボイドを画成し、
第１のエネルギーグレイン層と第２のエネルギーグレイン層とは、異なる化学組成であることを特徴とするロケットモータ。
【請求項９】
上面および下面を有する第１のエネルギーグレイン層と、
上面および下面を有する第２のエネルギーグレイン層と、
を備え、
第２の層は、第１の層の上部に位置し、
第２のエネルギーグレイン層の下面は、第１のエネルギーグレイン層の上面に部分的に接し、
第２のエネルギーグレイン層の下面および第１のエネルギーグレイン層の上面は、それらの間に微小ボイドを画成し、
第２のエネルギーグレイン層の下面は、表面形状部を備えることを特徴とする固体推進剤。
【請求項１０】
表面形状部は、突出部、リブ、バンプ、台形、楕円、スタッド、およびハニカムから成る群から選択されることを特徴とする請求項９記載の固体推進剤。
【請求項１１】
固体推進剤を製造するプロセスであって、
上面および下面を有する第１のエネルギーグレイン層を付加製造し、
上面および下面を有する第２のエネルギーグレイン層を第１の層の上部に付加製造する、
ことを含み、
第１の層の上面は、第２の層の下面に部分的に接し、
第１の層の上面および第２の層の下面は、それらの間に微小ボイドを画成し、
固体推進剤をロケットモータケーシング内に取り付け、
ロケットモータケーシング内の固体推進剤の周りにエネルギーグレインを鋳造する、ことをさらに含むことを特徴とする、固体推進剤を製造するプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、固体推進剤ロケットモータに関する。
【０００２】
（関連出願の相互参照）
本開示は、２０１４年９月１９日に出願された出願番号第６２／０５３，０３６号の米国特許仮出願および２０１４年９月１６日に出願された出願番号第６２／０５１，２２７号の米国特許仮出願に対して優先権を主張する。
【背景技術】
【０００３】
本開示は、固体推進剤ロケットモータに関する。このようなロケットモータは、コアの周りに鋳造された固体推進剤グレイン材料を含むことができる。コアは次いで鋳造グレイン材料から摺動させて除去し、開口中心穴が残る。固体推進剤の穴表面での燃焼によって、高圧ガスが生成され、穴からノズルを通って放出されて推力が生じる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示の実施例によるロケットモータは、ノズルと、ノズルと連通する固体推進剤セクションと、を備える。固体推進剤セクションは、上面および下面を有する第１のエネルギーグレイン層と、上面および下面を有する第２のエネルギーグレイン層とを備える。第２のエネルギーグレイン層の下面は、第１のエネルギーグレイン層の上面に部分的に接する。第２のエネルギーグレイン層の下面および第１のエネルギーグレイン層の上面は、それらの間に微小ボイドを画成する。
【０００５】
上述の実施例のいずれかのさらなる実施例において、微小ボイドは、幾何学的形状を有する。
【０００６】
上述の実施例のいずれかのさらなる実施例は、複数の微小ボイドを備え、微小ボイドは、中心軸周りに周方向に均一に離間する。
【０００７】
上述の実施例のいずれかのさらなる実施例において、微小ボイドは、径方向に延びたスロットである。
【０００８】
上述の実施例のいずれかのさらなる実施例において、微小ボイドは、中空の微小球を含む。
【０００９】
上述の実施例のいずれかのさらなる実施例において、第１のエネルギーグレイン層は、微小ボイドを備え、第２のエネルギーグレイン層は、中実である。
【００１０】
請求項１に記載のロケットモータは、ノズルの近くで微小ボイドの後ろにあるセクションを有する内側エネルギーグレイン層をさらに備え、セクションは、中心軸に沿って軸方向に離間した一群の突出部を備える。
【００１１】
上述の実施例のいずれかのさらなる実施例において、突出部は、均一な軸方向厚みを有する。
【００１２】
上述の実施例のいずれかのさらなる実施例において、第１のエネルギーグレイン層と第２のエネルギーグレイン層とは、異なる化学組成である。
【００１３】
本開示の実施例による固体推進剤は、上面および下面を有する第１のエネルギーグレイン層と、上面および下面を有する第２のエネルギーグレイン層とを備える。第２のエネルギーグレイン層の下面は、第１のエネルギーグレイン層の上面に部分的に接する。第２のエネルギーグレイン層の下面および第１のエネルギーグレイン層の上面は、それらの間に微小ボイドを画成する。
【００１４】
上述の実施例のいずれかのさらなる実施例において、第２のエネルギーグレイン層の下面は、所定の幾何学形状で第１のエネルギーグレイン層の上面に部分的に接する。
【００１５】
上述の実施例のいずれかのさらなる実施例において、所定の幾何学形状は、微小ボイドを介して所定の流路を画成するように選択される。
【００１６】
上述の実施例のいずれかのさらなる実施例において、第２のエネルギーグレイン層の下面は、表面形状部を備える。
【００１７】
上述の実施例のいずれかのさらなる実施例において、表面形状部は、突出部、リブ、バンプ、台形、楕円、スタッド、およびハニカムから成る群から選択される。
【００１８】
上述の実施例のいずれかのさらなる実施例において、微小ボイドは、径方向に延びたスロットである。
【００１９】
上述の実施例のいずれかのさらなる実施例において、微小ボイドは、中空の微小球を含む。
【００２０】
上述の実施例のいずれかのさらなる実施例において、第１のエネルギーグレイン層は、微小ボイドを備え、第２のエネルギーグレイン層は、中実である。
【００２１】
本開示の実施例による固体推進剤を製造するプロセスは、上面および下面を有する第１のエネルギーグレイン層を付加製造し、第１の層の上部に第２のエネルギーグレイン層を付加製造することを含む。第２のエネルギーグレイン層は、上面および下面を有する。第１の層の上面は、第２の層の下面に部分的に接する。第１の層の上面および第２の層の下面は、それらの間に微小ボイドを画成する。
【００２２】
上述の実施例のいずれかのさらなる実施例は、固体推進剤をロケットモータケーシング内に取り付けることを含む。
【００２３】
上述の実施例のいずれかのさらなる実施例は、ロケットモータケーシング内の固体推進剤の周りにエネルギーグレインを鋳造することを含む。
【００２４】
本開示のさまざまな特徴および利点は、以下の詳細な説明から当業者には明らかになるであろう。詳細な説明を伴う図面は、以下に簡単に説明できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施例のロケットモータを示す図。
【図２】図１のロケットモータの固体推進剤セクションの中心コアの実施例の抜き出し図を示す図。
【図３Ａ】多層構造を示す、中心コアの断面を示す図。
【図３Ｂ】微小ボイドを有する多層構造および中心コアの断面切開図を示す図。
【図４Ａ】表面形状部のさまざまな幾何学形状を示す図。
【図４Ｂ】表面形状部のさまざまな幾何学形状を示す図。
【図４Ｃ】表面形状部のさまざまな幾何学形状を示す図。
【図４Ｄ】表面形状部のさまざまな幾何学形状を示す図。
【図４Ｅ】表面形状部のさまざまな幾何学形状を示す図。
【図５】別の実施例の中空の微小球を有する多層構造および中心コアの断面切開図を示す図。
【図６Ａ】第１の軸方向位置から取った固体推進剤セクションの断面を示す図。
【図６Ｂ】第１の軸方向位置の前方の第２の軸方向位置から取った固体推進剤セクションの断面を示す図。
【図７Ａ】固体推進剤セクションの後端部に向かって取った断面図を示す図。
【図７Ｂ】固体推進剤セクションの後端部の切開図を示す図。
【図７Ｃ】図６Ｂに示す位置からの切開図を示す図。
【図８】実施例の付加製造プロセスを示す図。
【図９】図８のプロセスを実行する実施例のシステムを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１は、実施例のロケットモータ２０の断面の選択された部分を概略的に示す。ロケットモータ２０は一般に、ノズル２２と、固体推進剤セクション２４とを備える。理解できるように、ロケットモータ２０はまた、本明細書に記載されていない付加的な従来の構成要素を備えることができる。
【００２７】
固体推進剤セクション２４は、前端部２４ａと、ノズル２２と連通する後端部２４ｂとを備える。固体推進剤セクション２４は、中心軸Ａに沿った開口部２６と、モータケース３０内に配置された固体エネルギー材料２８とを備える。固体エネルギー材料２８は、中心コア３４の周りに配置された外側または最も外側のエネルギーグレイン層３２を備える。中心コア３４は、ノズル２２と連通する、開口部２６の周りに配列されたエネルギーグレイン材料の複数の層を備える。
【００２８】
図２は、中心コア３４の抜き出し図を示し、図３Ａ、図３Ｂはそれぞれ、固体推進剤セクション２４の一部のより接近した図、固体推進剤セクション２４の切開断面を示す。中心コア３４は、エネルギーグレイン層の多層配列３６を備える。この実施例では、配列３６は、３８／４０／４２／４４で示すそのような４つの層を備えるが、代替として、より少ない層を含むことも、または追加の層を含むこともできる。層３８／４０／４２／４４は、層３８が軸Ａに関して内側または最も内側の層となり、層４４が外側または最も外側の層となり、層４０／４２が中間の層となるように配列される。層３８／４０／４２／４４のそれぞれは、上面および下面を有する。例えば、下面は、中心軸Ａの方に面し、上面は、軸Ａとは反対の方に面する。
【００２９】
層３８／４０／４２／４４は、同じ組成を有することができるが、さらなる実施例では、層３８／４０／４２／４４のうちの少なくとも１つが層３８／４０／４２／４４のうちの残りの少なくとも１つとは異なる組成を有する。例えば、層３８／４０／４２／４４は、短時間でガスを発生させてガス速度を調整するように異なる反応速度を提供するよう異なる量の不活性材料を有することができ、または、層３８／４０／４２／４４は、互いに異なる燃焼速度または中心コア３４の周りに配置された最も外側のエネルギーグレイン層３２とは異なる燃焼速度を有する、異なる種類または量のエネルギー材料を有することができる。
【００３０】
図示のように、層４０、層４４はそれぞれ、複数のボイドまたは微小ボイド４６、複数のボイドまたは微小ボイド４８を備える。この実施例では、層３８、４２は、微小ボイドを全く含まない中実の層である。層３８、層４０は、界面５０で互いに接する。界面５０における微小ボイド４６は、層４０を層３８から切り離す。すなわち、層３８、４０は、微小ボイド４６によって提供された不連続性に起因して、互いに部分的に合致するだけである。同様に、層３８も層４２に対して切り離され、層４４は、層４２に対して切り離される。従って、この開示で使用されるように、これらの切り離された層のうちの任意の２つは、多層配列３６内のそれらの位置に拘わらず、第１、第２の切り離された層と考えることができる。代替として、層４０、４４は微小ボイド４６、４８を有して示してあるが、この開示はこのような配列に限定されないこと、また、層３８および／または層４２が、代替としてボイドまたは微小ボイドを有し得るかまたは追加として隣接する層とは異なるパターンでボイドまたは微小ボイドを有し得ることを、理解されたい。
【００３１】
微小ボイド４６、４８は、層４０、４４内に故意にまたは無作為でなく製造された幾何学的形状部とすることができる。この実施例では、微小ボイド４６、４８は、周方向に幅があるより径方向に長い、径方向に延びたスロットである。本明細書で使用されるように、「微小ボイド」という用語は、およそ１０００マイクロメートル以下の少なくとも１つの明確な寸法を有する中空の密閉容積部のことを言う。表面積を変更するために、微小ボイドはより典型的に、５００マイクロメートルより小さいか、または１００マイクロメートルより小さい少なくとも１つの明確な寸法を有することができる。この実施例では、スロットの少なくとも周方向寸法が、５００マイクロメートルより小さい。
【００３２】
スロットは、軸Ａ周りに周方向に均一に離間する。このようなスロットの幾何学形状は、以下により詳細に説明するように、ロケットモータ２０の作動中の制御された燃焼速度のために層４０／４４の表面積の増加を促進することができる。他の実施例では、微小ボイド４６／４８は、燃焼のための露出される表面積の量を調整するのを促進するために、限定される訳ではないが、円筒形、長方形、長円形、先細、段付き、多角形、およびハニカムなどの他の無作為でない幾何学的形状を有することができる。さらに、微小ボイド４６／４８は、１つまたは複数の層内に他の無作為でないパターンで設けることができる。
【００３３】
層３８／４０／４２／４４の表面積は、発生ガス速度を制御するために消費または燃焼の速度を増加または減少させるように調整される。例えば、本明細書に開示された微小ボイドは、より低い温度の燃焼段階に対応したより高い表面積を提供するように１つまたは複数の層内に設けることができる。微小ボイドまたは異なる幾何学形状の微小ボイドがない、より低い表面積は、増加した温度での増加した燃焼速度の影響を低減するように、より高い温度の燃焼段階に対応して設けることができる。従って、層３８／４０／４２／４４のそれぞれの幾何学形状は、特定の層の燃焼速度を調整するように、微小ボイドの有無に関して、また、微小ボイドの幾何学形状に関して選択することができる。
【００３４】
微小ボイド４６／４８は、少なくとも一部は、１つまたは複数の層３８／４０／４２／４４の下面にある１つまたは複数の表面形状部によって形成できる。理解できるように、表面形状部は、微小ボイド４６／４８の形状が異なるように設計できる。図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄ、図４Ｅは、さまざまな表面形状部の突出部を有する変更された層４０の実施例を示す。図４Ａでは、表面形状部の突出部は、リブまたはスタッドである。図４Ｂでは、表面形状部の突出部は、バンプである。図４Ｃでは、表面形状部の突出部は、台形である。図４Ｄでは、表面形状部の楕円形であり、図４Ｅでは、表面形状部の突出部は、ハニカムである。同様に、任意の突出部の逆（ネガ）を追加としてまたは代替として使用できる。
【００３５】
図５は、スロット微小ボイド４６／４８の代わりに、層１４０、１４４が微小ボイドとして中空の微小球１４６／１４８を備える変更された実施例を示す。中空の微小球１４６／１４８は、層１４０／１４４に亘って分布させることができるが、層１４０が層３８から切り離されるように、中空の微小球１４６／１４８のうちの少なくとも一部は、界面５０に存在する。再び、上述のものと同様に、この実施例では、層１４０はまた、層４２から切り離され、層１４４は、層４２から切り離される。一実施例では、中空の微小球１４６／１４８の分布は、層１４０／１４４に亘って制御されて不均一である。例えば、中空の微小球１４０／１４４は、界面５０だけに位置するか、または界面に少なくともより集中するように、層１４０／１４４の下面および／または上面だけに分布する。さらなる実施例では、微小球を有する１つまたは複数の層が、微小球を含まない１つまたは複数の層と交互に配列して使用される。
【００３６】
層３８／１４０／４０／１４４を切り離すことに加えて、微小ボイドおよび／または中空の微小球１４０／１４４はまた、外側または最も外側のエネルギーグレイン層３２の機械的性質を緩和することができる。例えば、界面に平行な微小ボイドは、切り離しによって外側または最も外側のエネルギーグレイン層３２が中心コア３４からより小さい拘束力で外側へと収縮できるように、応力緩和に役立つ。その結果、外側または最も外側のエネルギーグレイン層３２は、破壊に対するより低いモジュラスおよびより高い歪みを有することができ、界面における割れの可能性が低下し得る。中空の微小球１４６／１４８はまた、層１４０／１４４の表面積を増加させるのに役立つ。最初に、微小球１４６／１４８は、補強として役立つが、しかしながら、使用中に層１４０／１４４の後ろの燃焼時に、微小球１４６／１４８は、露出されて、崩壊し／破壊され、従って、層１４０／１４４においてさらなる表面積を露出する。従って、微小球１４６／１４８は、さらなる表面積を生成し、従って、特定の層の質量流量、圧力、および推力を増大させるように露出されるまで、崩壊しないように、特定の強度に選択される。さらなる実施例では、中空の微小球１４６／１４８は、上述したように、スロットの幾何学形状または他の幾何学形状の微小球と組合わせて使用される。
【００３７】
図６Ａ、図６Ｂは、固体推進剤セクション２４に沿って異なる軸方向位置（図１参照）
から取った断面を示す。層３８／４０／４２／４４の幾何学形状は、中心コア３４の全軸長に沿って一定とすることができるが、この実施例では幾何学形状は軸方向に変化する。例えば、図６Ａは、層４０、４４が微小ボイド４６、４８を有する図３Ｂに関して図示、説明される切開部に対応する幾何学形状を示す。しかしながら、図６Ｂに示す軸方向位置では、層４０、４４は微小ボイドを有していず、その代わりに、層３８だけがこの位置において微小ボイド３８ａを有する。従って、層３８／４０／４２／４４の１つの層から別の層への表面凹部を調整できるだけでなく、それぞれの層３８／４０／４２／４４のセクションにおける燃焼に利用可能な表面積の量を制御するように微小ボイドを選択的に提供することにより、それぞれの層３８／４０／４２／４４のセクションは、軸長に沿って個別に調整できる。例えば、層３８／４０／４２／４４は、最初に燃焼し、後端部２４ｂに向かってより大きな容積部を開くことで、所望の制限内に流速を維持するように後で続いて燃焼される層の上流部分によって生成されるガスのためにより大きな流れ領域を提供する。そうでなければガスの流れは、閉塞されること、および／または、望ましくないレベルまで侵食燃焼を増加し得る速度に加速されることの可能性が高まり得る。
【００３８】
図７Ａは、中心コア３４の後端部を通って取った断面を示す。図７Ｂは、断面切開図を示し、図７Ｃはより接近した図を示す。この位置で、中心コア３４は、「星形」断面構成を有しており、ノズル２２の近くで微小ボイド４６／４８の後ろにあるセクションを有する内側エネルギーグレイン層５２を備える。層５２は、中心軸Ａに沿って軸方向に離間した一群の突出部５４を備える。突出部５４は、中心コア３４のこのセクションにおける表面積を増加させる。この実施例では、突出部５４は、それぞれが「ｔ」で示される均一な軸方向厚みを有する軸方向に離間したフィンである。フィンは、同様に均一な軸方向厚みを有するとともに微小ボイドでもあるとみなされ得る開スロット５６によって軸方向に離間している。フィンおよびスロットは、ガスを生成する反応のための表面への相対的に均一な接近または露出を提供する。本開示を考慮すれば理解できるように、突出部５４は代替として、所望の表面積および露出を提供するように選択される異なる幾何学形状パターンを、そのような幾何学形状を製造する能力を仮定してではあるが、有することができる。
【００３９】
突出部５４は、後端部２４ｂにおいて高い表面積を提供する。燃焼の際に、突出部５４は、中心コア３４の他の上流セクションでより高い速度で、相対的に迅速に消費または燃焼される。従って、ノズル２２に向かった開口部２６の後端部２４ｂは、後で続いて燃焼される上流部分の層によって生成されるガスのためのより大きな流れ領域を提供するとともに、所望の制限内に流速を維持するように、拡大されている。そうでなければガスの流れは、閉塞されること、および／または、侵食燃焼を増加し得る速度に加速されることの可能性が高まり得る。
【００４０】
さらなる実施例では、突出部５４は、微小幾何学形状突出部である。例えば、各突出部５４の周囲は、１０００マイクロメートル以下の少なくとも１つの明確な寸法を有する。しかしながら、表面積を増加させるために、突出部５４は、より典型的に、５００マイクロメートルより小さいか、または１００マイクロメートルより小さい少なくとも１つの明確な寸法を有することができる。フィンの実施例では、軸方向厚み「ｔ」は、５００マイクロメートルより小さいか、または１００マイクロメートルより小さい。
【００４１】
本明細書における層の表面積の調整は、必要とされる質量流量、従って推力を提供するのに十分高い表面積を維持するように使用できる。例えば、ある層が燃焼し尽くす場合、次の層は、許容可能な燃焼駆動制限内に維持しながら、適切な質量流量（推力）を提供するように調整された表面積を有することができる。表面積はまた、侵食燃焼または閉塞を回避するのに十分低いガス速度を維持するように調整することができる。例えば、突出部５４の燃焼からの開口部２６の後端部の最初の拡大は、燃焼の初期にできるだけ遠くの後ろで表面積を最大化するように使用できる。後に続く層の表面積は、所望の速度内になるようガスの流れを制御するように前方に移動する開口部２６を徐々に拡大するように調整できる。さらに、中心コア３４を介してブースト推力の大部分を提供することで、（主な）外側または最も外側のエネルギーグレイン層３２の燃焼速度は、ロケットモータ２０の「維持」段階へとより良く調整できる。
【００４２】
中心コア３４はさらに、構造ケース３０と中心コア３４との間に外側または最も外側のエネルギーグレイン層３２を封じ込めるのに役立つことができる。封じ込めによって、外側または最も外側のエネルギーグレイン層３２の自由でかつ支持されていない内側表面の低減または除去が可能となり得る。従って、高温条件下で、中心コア３４は、外側または最も外側のエネルギーグレイン層３２を支持し、サッギング（ｓａｇｇｉｎｇ）（クリープ）を低減または防止することができる。低温条件下で、中心コア３４は、上述したように応力緩和に役立つことができる。
【００４３】
ロケットモータ２０の中心コア３４および固体推進剤セクション２４を製造するプロセスも開示される。例えば、プロセスは、本明細書に説明する層を付加製造することを含む。中心コア３４を次いで、モータケース３０内に取り付け、外側または最も外側のエネルギーグレイン層３２を次いで、付加製造された１つまたは複数のエネルギーグレイン層の周りに鋳造する。
【００４４】
付加製造は、付加製造または三次元印刷と呼ぶこともできるが、付加スラリー技術または粉末技術を含むことができる。スラリー技術では、スラリーを所定の圧力下で加熱されたノズルに供給する。
【００４５】
図８は、スラリー技術を使用する実施例の付加製造プロセス２２０を示し、図９は、プロセス２２０を実行するための実施例のシステム２４０を示す。プロセス２２０は、中心コア３４を作成するように固体エネルギー材料を形成または「印刷」するために使用できる。
【００４６】
プロセス２２０は、ステップ２２２、２２４、２２６、およびシステム２４０に関して説明する。さらなる処理ステップを、ステップ２２２、２２４、２２６の前、間、または後に使用できる。一般に、システム２４０は、スラリー２４４を保持する容器２４２と、スラリー２４４を供給するノズル２４６と、パイプまたは管などの、容器２４２からノズル４６へとスラリー２４４が移動する１つまたは複数のライン２４８と、を備える。ノズル２４６は、加熱ブロック２４６ａを備えることができる。代替としてまたは追加として、加熱ブロック２４６ａは、２４６ａ’で示すように、ノズル２４６に隣接してノズル２４６の上流に配置することができる。容器２４２、ライン２４８、およびノズル２４６は、１つまたは複数の弁、１つまたは複数のポンプ、またはスラリー２４４を移動させるための同様のものなどを備えることができる。制御装置２５０が、少なくともノズル２４６と連通しており、また、システム２４０の作動を制御するために、容器２４２、ライン２４８、加熱ブロック２４６ａ／２４６ａ’、および任意の１つまたは複数の弁、または１つまたは複数のポンプと連通することもできる。この点では、制御装置２５０は、プロセス２２０を実行するように構成および／またはプログラムされる、マイクロプロセッサなどのハードウェアおよびソフトウェアのいずれか一方または両方を備える。
【００４７】
中心コア３４などの固体エネルギー材料を印刷するために、スラリー２４４は、プラスチゾルおよび固体エネルギー材料の混合物を含むことができる。プラスチゾルは、液体可塑剤中のポリマー粒子の混合物または懸濁液である。例えば、可塑剤は、フタル酸塩、またはアジピン酸塩、またはこれらの混合物を含む。フタル酸塩は、限定される訳ではないが、フタル酸ジイソノニル（ＤＩＮＰ）、フタル酸ジイソデシル（ＤＩＤＰ）、およびフタル酸ジ−２−エチルヘキシルを含むことができ、アジピン酸塩は、限定される訳ではないが、アジピン酸ジオクチル（ＤＯＡ）およびセバシン酸ジオクチル（ＤＯＳ）を含むことができる。例えば、プラスチゾルは、ポリ塩化ビニルまたはニトロセルロースの少なくとも１つのポリマー粒子、および液体可塑剤を含む。固体エネルギー材料はまた、粒子の形態で提供され、プラスチゾルと混合される。
【００４８】
固体エネルギー材料は、所望の最終使用要求に従って選択される。例えば、固体エネルギー材料は、限定される訳ではないが、金属燃料、酸化剤、および燃料／酸化剤混合物を含むことができる。固体エネルギー材料は、１つまたは複数の不活性バインダー、燃焼変更剤（ｍｏｄｉｆｉｅｒ）、安定剤、および同様のものなどを含むこともできる。一実施例では、スラリー２４４は、重量で、約７．５％のポリ塩化ビニル、約７．５％の可塑剤、および約８５％の固体エネルギー材料を含む。さらなる実施例では、固体エネルギー材料は、重量で、約１８％の金属燃料を含む。
【００４９】
再びプロセス２２０を見ると、ステップ２２２においてスラリーを加圧し、加熱する。スラリー２４４は、容器２４２からライン２４８を通ってノズル２４６へと流れるのが容易になるように加圧する。例えば、スラリー２４４は、容器２４２内で約２０〜５００ポンド毎平方インチで加圧する。スラリー２４４は次いで、この圧力下で容器２４２からノズル２４６へと供給する。加圧することによって、グロッビング（ｇｌｏｂｂｉｎｇ）を低減するようにノズル４６の前での硬化の抑制も容易になる。ポリ塩化ビニルまたはニトロセルロースの少なくとも１つ、アジピン酸ジオクチル、および固体エネルギー材料を含む上述したスラリー組成に基づくさらなる一実施例では、スラリー４４は、２０キロポアズより低い粘性率を有し、容器２４２内で約３０〜４０ポンド毎平方インチで加圧され、約１７０〜２２０°Ｆに加熱される。
【００５０】
スラリー２４４は、加熱までは実質的に周囲温度とすることができる。この点では、一実施例では、プロセス２２０は、加熱ブロック２４６ａを介してノズル２４６内でスラリー２４４を加熱することを含む。代替として、加熱ブロック２４６ａ’を使用すると、スラリー２４４は、ノズル２４６の前で加熱される。スラリー２４４は、加熱される前には、完全に硬化されず、または実質的に完全に硬化されないようにすることができる。適切な温度および圧力で、加熱は、液体可塑剤によるポリマー粒子（例えばポリ塩化ビニル）の溶媒和を開始させる。
【００５１】
ステップ２２４において、加圧され、加熱されたスラリー２４４がノズル２４６を通って流れ、ステップ２２６において、スラリー２４４は、ノズル２４６から所定のパターンで堆積する。スラリー２４４は、加圧され、ノズルの２４６の加熱ブロック２４６ａまたは２４６ａ’において適切な温度に加熱されるとはいえ、ノズル２４６から供給され、冷却された後で、実質的に完全に硬化または固化した状態に到達することができる。例えば、スラリー２４４の流れに依存して、溶媒和および硬化は、ノズル２４６内で、またはノズル２４６から供給された後に開始することができる。一実施例では、スラリーの硬化温度と同じかそれを上回る温度への加熱が、液体可塑剤によるポリマー粒子の溶媒和を開始させ、従って、スラリー４４の硬化および固化を開始させる。
【００５２】
所定のパターンは、中心コア３４のコンピュータで処理されたパターンとすることができる。この点では、ノズル２４６が、コンピュータで処理されたパターンでスラリー２４４を選択的に堆積させるように前後に移動する。追加としてまたは代替として、スラリー２４４が供給される基板を、コンピュータで処理されたパターンで移動させることができる。スラリー２４４の複数の層を、コンピュータで処理されたパターンに従って中心コア３４を構築するように、互いに上に選択的に堆積させることができる。
【００５３】
さらなる実施例では、ノズル２４６は、スラリー組成に関しても設計または選択される。例えば、スラリー２４４は、ポリマー粒子および固体エネルギー材料粒子を含むので、スラリー２４４が通って堆積されるノズル２４６の供給オリフィスは、少なくとも組成中の最も大きな粒子と同じくらいの大きさである。より典型的には、オリフィスは、ノズル２４６の架橋および詰まり（ｐｌｕｇｇｉｎｇ）を低減するように、組成中の最も大きな粒子より少なくとも数倍大きなものとすることができる。例えば、ノズルオリフィスは、限定される訳ではないが、１／６４〜３／６４インチとすることができる。
【００５４】
さらなる実施例では、スラリー２４４の組成は、加熱ブロック２４６ａまたは２４６ａ’において提供される加熱の量に関して選択される。例えば、スラリー組成は、ポリ塩化ビニルおよび／またはニトロセルロースの量のアジピン酸ジオクチルの量に対するものに関して、重量で、８０：２０〜２０：８０の比を有する。さらなる実施例では、比は、６０：４０〜４０：６０である。
【００５５】
加熱されたノズルへ圧力で供給されるスラリー供給は、従来の三次元印刷機械（例えば、ＳｔｒａｔｓｙｓまたはＭａｋｅｒｂｏｔからのもの）内へ統合することもできる。特に、そのような従来の印刷機械のフィラメント供給システムを、加熱されたノズルへ圧力で供給されるスラリー供給と置き換えることができる。この方法は、本明細書において記載される突出物などの、制御される幾何学形状で、固体エネルギー材料の印刷を提供する。
【００５６】
粉末技術では、固体エネルギー材料の粉末を、相対的に薄い層に選択的に堆積させ、次いで、可塑剤およびＰＶＣなどの液体結合剤の層の堆積が続く。結合剤は、粉末に浸透し、次いで、所定の位置に粉末層を保持するように固化する。粉末および結合剤の堆積は、所定の厚みおよび幾何学形状を提供するように選択された領域で繰り返すことができる。この方法はまた、本明細書において記載される突出物などの、制御される幾何学形状で、固体エネルギー材料の印刷を提供する。このような幾何学形状は、コアの周りの従来の鋳造を用いては可能でない。コアは、このような特徴部を含む場合、鋳造グレイン材料とインターロックし、鋳造グレイン材料の幾何学形状を破壊せずに、摺動して取り出すことが妨げられるであろう。粉末技術は代替としてまたは追加として、既存の粉末顔料印刷システムに統合することができる。
【００５７】
特徴部の組み合わせを例示の実施例に示したとはいえ、それらの全てを、この開示のさまざまな実施例の恩恵を得るために組み合わせる必要はない。すなわち、この開示の実施例に従って設計されたシステムは、いずれか１つの図面に示した全ての特徴部または図面に概略的に示した全ての部分を必ずしも含まない。さらに、例示的な一実施例の選択された特徴部を、他の例示的な実施例の選択された特徴部と組み合わせることができる。
【００５８】
上述した説明は、本質的に限定ではなく例示である。この開示から必ずしも逸脱しない、開示した実施例の変更および変形は、当業者には明らかになるであろう。この開示に与えられる法的保護範囲は、以下の特許請求の範囲を検討することで判断できるだけである。
【図１】
0006574255.tif 000002
【図２】
0006574255.tif 000003
【図３Ａ】
0006574255.tif 000004
【図３Ｂ】
0006574255.tif 000005
【図４Ａ】
0006574255.tif 000006
【図４Ｂ】
0006574255.tif 000007
【図４Ｃ】
0006574255.tif 000008
【図４Ｄ】
0006574255.tif 000009
【図４Ｅ】
0006574255.tif 000010
【図５】
0006574255.tif 000011
【図６Ａ】
0006574255.tif 000012
【図６Ｂ】
0006574255.tif 000013
【図７Ａ】
0006574255.tif 000014
【図７Ｂ】
0006574255.tif 000015
【図７Ｃ】
0006574255.tif 000016
【図８】
0006574255.tif 000017
【図９】
0006574255.tif 000018