(57)【要約】【課題】推進薬の分解のための装置と方法が提供される。【解決手段】推進薬２４は、イオン性の塩と付加的な燃料とを含む。イオン性の塩の大部分を分解する手段４２が備えられる。付加的な燃料とイオン性の塩の分解生成物とを燃焼させる手段４８が提供される。推進薬２４は、反応器４２に導入される。推進薬は、ＨＡＮの少なくとも大部分を解離させるように、反応器内で分解される。反応器４２の出力物は、燃焼器４８に導びかれる。出力物は、解離ＨＡＮの解離生成物を推進薬内の未反応燃料と燃焼させるように、燃焼器４８内で燃焼される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＨＡＮ基推進薬の供給源と、
推進薬内のＨＡＮの大部分を解離させるための反応器と、
解離生成物を推進薬内の付加的な燃料と燃焼させるための燃焼器と、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記推進薬は、ＨＡＮと、アルコールを含む付加的な燃料と、水との混合物を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記供給源は、推進薬を含有するタンクと、このタンクと反応器の間の流量を制御する自動制御弁とを備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記反応器は、回り道の加熱される通路を備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記反応器は、推進薬が通過する触媒層を備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記反応器と燃焼器の間に多孔質障壁をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記燃焼器から反応器に熱を戻す手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】
燃焼生成物により駆動されるタービンをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記タービンにより駆動される発電機をさらに備えることを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記タービンにより駆動される油圧ポンプをさらに備えることを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１１】
前記装置を水域内に支持するための外殻と、
水域を通して装置を推進するためにタービンにより駆動されるプロペラと、
爆薬弾頭と、
をさらに備えることを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１２】
ＨＡＮ基推進薬を使用する燃焼システムを作動させる方法であって、
推進薬を反応器に導入し、
推進薬内のＨＡＮの少なくとも大部分を解離させるように、推進薬を反応器内で分解し、
反応器の出力物を燃焼器に導き、
解離ＨＡＮの解離生成物を推進薬内の未反応燃料と燃焼させるように、反応器の出力物を燃焼器内で燃焼させる、
ことを含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記燃焼は、推進薬のエネルギーの少なくとも６０％を放出し、
前記分解は、推進薬内のＨＡＮの大部分を分解する、
ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記分解は、推進薬を多孔質触媒に通すことを含む、
ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
前記導くことは、
反応生成物を多孔質障壁に通すこと、および、
燃焼生成物に対する反応生成物の向流の流れ、
の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
前記分解を開始させるのに有効な量で、燃焼器から反応器に熱を戻す、
ことをさらに含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１７】
イオン性の塩と付加的な燃料とを含む推進薬の供給源と、
イオン性の塩の大部分を分解する手段と、
付加的な燃料と前記大部分の分解生成物とを燃焼させる手段と、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項１８】
前記推進薬は、ＨＡＮと、アルコールと、少なくとも５％の水との混合物を含むことを特徴とする請求項１７記載の装置。
【請求項１９】
前記分解する手段は、多孔質触媒層を含むことを特徴とする請求項１７記載の装置。
【請求項２０】
前記イオン性の塩は、イオン性の無機塩であり、前記付加的な燃料は、イオン性の有機塩を含むことを特徴とする請求項１７記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、推進薬の燃焼に関する。より詳細には、本発明は、単元推進薬の燃焼に関する。
【０００２】
（米国政府の権益）
本発明は、米国航空宇宙局（ＮＡＳＡ）と結ばれた契約ＮＡＳ３−０１００８により米国政府援助のもとでなされた。米国政府は、本発明について一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
単元推進薬(monopropellants)の使用は、ロケット推進および補助／非常用の動力発生または発電において知られている。米国特許第５，４８５，７２２号は、硝酸ヒドロキシルアンモニウム（ＨＡＮ）基単元推進薬の触媒的分解／燃焼を特定している。一般に、大抵のＨＡＮ基(HAN-based)推進薬は、３つの主要な成分：ＨＡＮ、水、および燃料、の混合物である。混和性のために、燃料は、一般にイオン性、部分的にイオン性、または極性である。燃料は、ＨＡＮのようなイオン性の塩とすることができる。硝酸トリエチルアンモニウム（ＴＥＡＮ）および硝酸２−ヒドロキシエチル−ヒドラジン（ＨＥＨＮ）は、最も一般的な有機種のうちの２つである。部分的にイオン性の燃料としては、アミノ酸（例えば、グリシン）を挙げることができる。極性燃料としては、アルコール（例えば、エタノールまたはメタノール）を挙げることができる。これらの推進薬混合物の大部分は、おおよそ６０％−８０％ＨＡＮである。ＨＡＮ濃度は、より多量の水の添加によって低減され得る。これは、燃焼温度を、従来の単元推進薬の反動推進エンジン(thrusters)に含まれる材料によって許容可能なレベルに低減するのに使用されてきた。より新種の混合物のいくつかは、さらなる酸化剤として少量の硝酸アンモニウムを使用すること、および、複数の燃料を混合物へと混合すること、の少なくとも一方を行う。
【特許文献１】米国特許第５，４８５，７２２号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
従って、本発明の一態様は、ＨＡＮ基推進薬の供給源を有する装置を含む。反応器が、推進薬内のＨＡＮの大部分を解離させる。燃焼器が、解離生成物を、推進薬内の付加的な燃料と燃焼させる。さまざまな実施において、推進薬は、ＨＡＮと、アルコールを含む付加的な燃料と、水との混合物を含むことができる。供給源は、推進薬を含有するタンクと、このタンクと反応器の間の流量を制御する自動制御弁とを備えることができる。反応器は、回り道(circuitous)のまたは環状の加熱される通路を備えることができる。反応器は、推進薬が通過する触媒層を備えることができる。反応器と燃焼器の間には多孔質障壁を備えることができる。燃焼器から反応器に熱を戻す手段を備えることができる。タービンが、燃焼生成物により駆動され得る。発電機が、タービンにより駆動され得る。油圧ポンプが、タービンにより駆動され得る。装置は、装置を水域内に支持するための外殻を備えることができる。装置は、水域を通して装置を推進するためにタービンにより駆動されるプロペラを備えることができる。装置は、爆薬弾頭を備えることができる。
【０００５】
本発明の別の態様は、ＨＡＮ基推進薬を用いる燃焼システムを作動させる方法を含む。推進薬は、反応器に導入される。推進薬は、ＨＡＮの少なくとも大部分を解離させるように、反応器内で分解される。反応器の出力物は、燃焼器に導びかれる。出力物は、解離ＨＡＮの解離生成物を推進薬内の未反応燃料と燃焼させるように、燃焼器内で燃焼される。さまざまな実施において、燃焼は、推進薬のエネルギーの少なくとも６０％を放出し得る。分解は、推進薬内のＨＡＮの大部分を分解する。分解は、推進薬を多孔質触媒に通すことを含み得る。導くことは、反応生成物を多孔質障壁に通すことを含み得る。導くことは、燃焼生成物に対する反応生成物の向流の流れを含み得る。方法は、分解を開始させるのに有効な量で、燃焼器から反応器に熱を戻すことを含み得る。
【０００６】
本発明の別の態様は、推進薬の供給源を備える装置を含む。推進薬は、重量で少なくとも５０％のイオン性の塩と付加的な燃料を含む。装置は、イオン性の塩の大部分を分解する手段を含む。装置は、付加的な燃料と分解生成物とを燃焼させる手段を含む。さまざまな実施において、推進薬は、ＨＡＮと、アルコールと、少なくとも５％の水との混合物を含み得る。分解する手段は、多孔質触媒層を含み得る。付加的な燃料は、１つまたは複数のイオン性の有機塩を含み得る。
【０００７】
本発明の１つまたは複数の実施態様の詳細は、添付の図面と以下の説明に述べられる。本発明の他の特徴、目的、および利点は、説明および図面から、また特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
さまざまな図面内の同様の参照番号および呼称は、同様の部材を示す。
【０００９】
図１は、ロケット反動推進エンジン（例えば、スペースクラフト用）として使用するように構成された例示的なシステム２０を示す。システムは、単元推進薬の本体２４を含む圧力容器またはタンク２２を備える。タンクのヘッドスペース２６は、タンクの上端を貫通する加圧管２８などを介して不活性ガス（例えば、ヘリウム）で加圧されている。タンクの下端は、出口導管３０が貫通しており、この出口導管３０は、スペースクラフトの制御システム（図示せず）により制御される弁３２を内部に有する。例示的な弁３２は、本体３４を有する電磁弁であり、本体３４は、ピストン３６の下流側ヘッドによりシール可能な出口ポートを有しており、ピストン３６の位置は、コイル３８を介して制御される。弁３２の下流では、導管３０が、分解室またはフューム(fume)反応器４２のヘッドスペース４０へと延びている。例示的な分解室４２は、多孔質熱障壁４６（例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ジルコニウム）により下流部分と隔てられた容器４４の上流部分に形成される。下流部分は、燃焼室４８として機能し、この燃焼室４８は、喉部５２と出口５４を有する中細ノズル５０を備える。ヘッドスペース４０の下流では、分解室４２は、単元推進薬の分解を促進する手段を含む。例示的な手段は、ヘッドスペース４０と障壁４６との間、あるいは加熱器６２（例えば、電気加熱器または流体伝導加熱器）との間に触媒（例えば、レニウム）層６０を含み得る。例示的な作動では、加熱器が（もし存在すれば）作動されて分解室を予熱し、その上で弁３２が開にされて単元推進薬を分解室に導入する。作動の別々の充填モードでは、弁はその後、閉にされ得る。作動の連続モードでは、弁は、開のままにされ得る。熱と触媒反応の少なくとも一方によって、ＨＡＮは、暖かい気体状生成物に分解する。これらの生成物は、燃料蒸気または粒子および種々雑多な成分（例えば、水蒸気）と共に、障壁４６を通って燃焼室４８内へと流れる。代替の実施態様では、分解室および燃焼室は互いに離すことができ、分解室出力生成物の伝達は、適切な導管を介し、適切な弁を介して制御され得る。
【００１０】
燃焼室内で燃焼を誘発する手段が備えられる。例示的な手段は、接地導体８２と高電圧導体８４に結合された各端子を有する高電圧コイル８０を含む。高電圧導体は、次に、燃焼室内に作用末端８８を有するスパーク電極（例えば、陽極）８６に結合される。コイルは、別々のまたは連続したモードで作動するための制御システムに結合され得る。例示的な陽極８６は、絶縁体９０により同心状に囲まれており、絶縁体９０は、接地に結合され得る陰極スリーブ９２からアノードを隔てる。容器４４と障壁４６の熱伝導特性は、燃焼室から分解室への熱の戻りを制限するように選択され得る。しかしながら、これらの特性は、有利には、分解室内ではどのような（少なくとも実質的な）燃焼も生じさせないけれども、分解室内でフューム発生(fumeoff)反応を促進するのには十分な熱の戻りを可能とするように選択され得る。スパーク点火器に対する代替の燃焼誘発機構は、高温ワイヤ点火器およびグロープラグの少なくとも一方を含む。
【００１１】
例示的な単元推進薬は、ＨＡＮと、付加的な燃料（例えば、メタノールなどのアルコール）と、水とを含む。さまざまな例が、上述のように特定されている。これらの単元推進薬の群は、一般に、大部分（例えば、少なくとも約７５％（特に言及しない限り、重量百分率））の１つまたは複数のイオン性の塩を有するとして特徴付けられる。水の含有量は、少なくとも４％の付近であり、より狭くは、５−２０％である。他の燃料は、存在すれば、約２０％までの付近とすることができる。特に興味のある単元推進薬は、ＨＡＮ基（すなわち、重量で少なくとも５０％のＨＡＮ、またはより広くは、少なくとも５０％の非水質量）である。分解室のフューム発生反応は、水の蒸発とＨＡＮの気体状生成物（酸化剤と水蒸気）への分解を必然的に伴う。付加的な燃料は、それが適切に揮発するならば（例えば、アルコールまたは軽いアミノ酸ならば）蒸発するであろうし、微細な溶融粒子として気体状フューム生成物と共に分散するであろう。解離は、
７ＨＡＮ  →  ４Ｎ2Ｏ  ＋  Ｎ2  ＋  ４ＨＮＯ3  ＋  １２Ｈ2Ｏ  、
但し、少量（例えば、重量で、〜３％）のＮＯ  および  ＮＯ2を含む、
などといった実質的にＨＡＮの部分的発熱反応を介する。
【００１２】
アルコールと水の存在は、有効な反応温度を低下させるように機能する。この反応の理論温度は、〜５６０℃（気体状混合物の自己発火温度を上回る）であるが、水および燃料の蒸発による熱吸収とシステムの熱損失に起因して、理論値よりは低いものとなる。例示的な実際の温度は、５００Ｋの付近（例えば、８００Ｋより低く、より狭くは、４００Ｋと７００Ｋの間）である。反応により発生する熱は、主として、アルコールと水を、これらの化合物の大した反応なしで蒸発させる。最初に、分解室は、反応を開始させるのに十分高温（例えば、真空中で約１２０−１３０℃であるが、触媒層では低くなる可能性がある）にする必要がある。例示的なフューム発生圧力は、１００から２００ｐｓｉａの付近であり、より狭くは、１５０−２００ｐｓｉａである。分解室圧力は、用途に依存する燃焼室圧力よりはいくぶん高いのが有利である。良好な分解作用は、完全なフューム発生（液体の溜まりではない）を有するものであるが、少量（例えば、５−１５％）の燃焼は、許容できる。一例として、７５．４％ＨＡＮ、１６．０％メタノール、および８．６％水から成る重量パーセント混合物は、４００Ｋをいくぶん上回る概略温度において１気圧で反応し得る。この圧力で反応する純粋なＨＡＮは、８００Ｋを上回る付随温度を有するであろう。
【００１３】
燃焼は、実質的により高いピーク温度および圧力で生じる。一例として、燃焼は、２０００Ｋを十分に上回る温度および１０００ｐｓｉａを十分に上回るピーク圧力を生成する。気体状生成物の燃焼は、混合物のエネルギーの大部分（例えば、例示的な混合物では、約８０％、より広くは、６０−９５％、さらには、７０−８５％）を放出する。ほぼ完全な燃焼の効率では、有利には、分解室内では、最小限まで非フューム発生、液体の溜まり発生、および爆発の少なくとも１つは生じない。そのような性能は、各用途に特有であり得る混合および流れ特性に依存するものである。有利には、全体の燃焼は、少なくとも９５％である。燃焼温度は、各反動推進エンジン用途の熱管理システムおよび推進薬混合物に依存することになる。燃焼は、未反応の燃料とのＨＡＮ分解生成物の発熱反応を介し、ここでは、２つの鍵となる反応が、一方のＨＡＮの亜酸化窒素および硝酸と他方の燃料との間に生じる。例えば、メタノール燃料では、
３Ｎ2Ｏ  ＋  ＣＨ3ＯＨ  →  ２Ｈ2Ｏ  ＋  ＣＯ2  ＋  ３Ｎ2  、
６ＨＮＯ3  ＋  ５ＣＨ3ＯＨ  →  １３Ｈ2Ｏ  ＋  ５ＣＯ2  ＋  ３Ｎ2  、
となる。
【００１４】
単元推進薬が、ＨＡＮと、ＴＥＡＮまたはＨＥＨＮなどの他の塩との両方を含む場合は、この他の塩は、有利には、燃焼器内でのみ実質的に反応することによりアルコールとしての役割を果たす。このような燃料成分は、ＨＡＮ分解生成物の流れの中で分解室から燃焼室への微細な溶融粒子として運ばれることが予想されるであろう。
【００１５】
ＨＡＮ分解と燃料燃焼の物理的な分離は、１つまたは複数の目的で利用され得る。これらは、点火の多数回の繰り返しと高い信頼性を与えることを含み得る。単元推進薬の直接点火は、信頼性の問題を受け得る。触媒の使用は、信頼性を向上し得る。しかしながら、触媒または他の分解手段が、燃焼の極端な熱に曝されると、それは、少数回の繰り返しで消費され得る。燃焼から離れた分解は、分解手段を保護しかつ多数回の繰り返しに亘ってそれらを再使用できると同時に、信頼性の高い点火ができる入力を燃焼室に提供できる。必要とされる繰り返し回数は、与えられた用途に基づいて変わるものである。多くの用途では、分解室の熱絶縁体を（その物理的パラメータと、特定の必要とされる燃焼パラメータ（繰り返し時間を含む）とを考慮して）少なくとも１００回の繰り返しに対して分解手段を保持するように、構成するのが有利であろう。いくつかの用途では、所望の繰り返し回数は、１００００回を超え得る。
【００１６】
図２は、航空機用の油圧非常用動力装置（ＥＰＵ）として使用するように構成されたシステム１１０を示す。分解／燃焼サブシステム１２０は、図１のシステム２０に概略類似し得るものであり、別に説明しない。サブシステム１２０の燃焼室の出力は、タービンサブシステム１２５のケース１２４の入口１２２に結合される。サブシステム１２０から排出される排気生成物は、シャフト軸回りに回転するようにケース内に取り付けられたシャフト１２８を有するタービン１２６を駆動するのに使用される。排気生成物は、ケースを通過し、出口１３０から排出される。シャフトは、タービンを遠心ポンプ１４１のインペラー１４０に結合する。ポンプは、ＥＰＵ用の油圧流体を送出するための入口１４４および出口１４６を有するケース１４２を備える。代替のＥＰＵは、ポンプの代わりにまたはポンプに加えて発電機１５０（図３）を利用することができる。
【００１７】
図４は、頭部またはノーズ２０４から尾部またはテール２０６に延びている外殻２０２を有する魚雷２００を示す。尾部において、魚雷は、プロペラ２０８と、制御面を与える複数の誘導フィン２１０とを有する。制御システム２１２は、誘導フィンを制御するとともに、外殻内の爆薬弾頭２１４に結合される。また、制御システムは、システム２０と概略類似し得る分解／燃焼サブシステム２２０（図５）に結合される。例示されたサブシステム２２０は、そのタンク２２２を同様には加圧せず、その代わり、タンクと分解室２２６の間のポンプ２２４に依拠する。ＥＰＵ実施態様では、燃焼室２２８からの排気は、タービンシステム２３０に導かれ得る。タービンのシャフト２３２は、次に、プロペラ２０８に結合されて、シャフト軸回りにプロペラを駆動し、水を通して魚雷を推進する。排気は、タービン出口２３４を介して水中に排出され得る。
【００１８】
図６は、図１の反動推進エンジンに対する代替の反動推進エンジンを示す。システム３１０は、供給源（例えば、上述したタンク）から電磁弁３１４に単元推進薬を導く単元推進薬入口導管３１２を有する。弁の下流のこの導管の所定の長さ３１６は、燃焼器／反動推進エンジン本体３２０へ延びている。例示的な実施態様では、反動推進エンジン本体は、燃焼室３２４を取り囲む上流部分３２２と、ノズル３２７の部分を取り囲む高熱質量下流部分３２６とを有する。例示的な実施態様では、それは、喉部３３０の上流にあるノズルの収束体積部３２８の主要部分を取り囲みかつ画成する。喉部の下流にある広がり体積部３３２は、別の部材で画成され得る。本体下流部分３２６は、単元推進薬のための回り道の尾部から頭部への向流通路３４０を画成する。例示的通路は、導管３１６からの入口３４２と、燃焼室の下流端にある出口３４４とを有するらせん通路によって画成されるように図示される。例示的な実施対応では、出口３４４は、燃焼室の中心に近い下流部分から環状壁３５０によって隔てられた燃焼室の中心から離れた部分に位置する。例示的な実施態様では、回り道の通路に沿って流れる単元推進薬は、向流の熱交換関係で体積部３２８を通って排出される排気生成物の熱によって少なくとも部分的に分解される。付加的な触媒が、通路内またはその上流に備えられ得る。通路出口３４４から排出される分解出力物は、本体上流部分の燃焼室外壁３５４と内壁３５０の間にある環状空間３５２を通って前方へと流れる。燃焼室の前方／上流端に到達すると、出力物は、点火器３６０によって点火され、環状壁３５０の内部３６２を通って下流へ、さらにそこから体積喉部３３０および体積部３３２を通って排出される。上述したように、この通路内では、体積部３２８を画成する表面を介する熱伝導が、さらなる単元推進薬の分解を助ける。本体３２６の熱伝導特性は、有利なレベルの分解を提供するように選択されるのが有利である。
【００１９】
本発明の１つまたは複数の実施態様を説明した。それにもかかわらず、本発明の精神および範囲から逸脱せずにさまざまな変更がなされ得ることは、理解されるであろう。例えば、どのような特定の使用の詳細も、適切な実施の詳細に影響を及ぼすであろう。従って、他の実施態様は、添付の特許請求の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】反動推進エンジンシステムの部分概略図である。
【図２】第１の非常用動力装置システムの部分概略図である。
【図３】第２の非常用動力装置システムの部分概略図である。
【図４】魚雷の部分概略図である。
【図５】図４の魚雷の推進システムの部分概略図である。
【図６】代替の反動推進エンジンシステムの部分概略図である。
【符号の説明】
【００２１】
２０…反動推進エンジンシステム
２２…タンク
２４…単元推進薬の本体
３２…弁
４２…分解室
４８…燃焼室
１２６…タービン
１４１…遠心ポンプ
１５０…発電機
２００…魚雷
２２６…分解室
２２８…燃焼室
２３０…タービンシステム
３２４…燃焼室
３４０…向流通路
【図１】
2004340148.tif 000003
【図２】
2004340148.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004340148.tif 000006
【図５】
2004340148.tif 000007
【図６】
2004340148.tif 000008