(57)【要約】      （修正有）【課題】毒性が低く取り扱いが容易であり取り扱い時に防護服等で身を固める必要性を大幅に低減又は無くすことができ、かつヒドラジンに匹敵する燃焼特性を有する１液推進薬（モノプロペラント）とこれを用いた高温ガス発生方法を提供する。【解決手段】ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）、ヒドラジウムナイトレート（ＨＮ）及び水を含むＨＡＮ／ＨＮ混合系の酸化剤と燃料成分とからなるＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラント１を、所定温度に予熱した触媒１０に直接噴霧して高温ガスを発生させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）、ヒドラジウムナイトレート（ＨＮ）及び水を含むＨＡＮ／ＨＮ混合系の酸化剤と燃料成分とからなる、ことを特徴とするＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラント。
【請求項２】
ＨＡＮとＨＮの合計含有量が２０％以上、９０％未満であり、水の含有量が１０％以上、５０％以下である、ことを特徴とする請求項１に記載のＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラント。
【請求項３】
前記燃料成分は、トリエタノールアンモニウムナイトレート（ＴＥＡＮ）又はアルコール類を含む炭化水素系燃料である、ことを特徴とする請求項１に記載のＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラント。
【請求項４】
ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）、ヒドラジウムナイトレート（ＨＮ）及び水を含むＨＡＮ／ＨＮ混合系の酸化剤と燃料成分とからなるＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントを、触媒に直接噴霧して高温ガスを発生させる、ことを特徴とする高温ガス発生方法。
【請求項５】
前記触媒は、イリジウム系触媒であり、これを５０℃以上、３００℃以下に予熱する、ことを特徴とする請求項４に記載の高温ガス発生方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体ロケット、小型スラスタ、タービン用ガスジェネレータ、等に用いる１液推進薬（モノプロペラント）とこれを用いた高温ガス発生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
１液推進薬（モノプロペラント）は、１液のみで機能を果たす推進剤であり、［特許文献１］［非特許文献１］［非特許文献２］等に開示されている。
また、関連する固体推進薬は、［特許文献２］［特許文献３］［特許文献４］に、ハイブリッド推進薬は、［特許文献５］等に開示されている。
【０００３】
【非特許文献１】
ジョージＰ．サットン、ロケット推進工学、山海堂、第８章  液体推進薬
【非特許文献２】
Ｅ．Ｗ．Ｓｃｈｍｉｄｔ，”ＨＹＤＲＡＺＩＮＥ  ＡＮＤ  ＩＴＳ  ＤＥＲＩＶＡＴＩＶＥＳ−ＰＲＥＰＡＲＡＴＩＯＮ，ＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳ，ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ−”，Ａ  ＷＩＬＥＹ−ＩＮＴＥＲＳＣＩＥＮＣＥ  ＰＵＢＬＩＣＡＴＩＯＮ，ＪＯＨＮ  ＷＩＬＥＹ  ＆  ＳＯＮＳ，Ｐ５１５−５２８
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２２５５５号公報
【特許文献２】
特開平１１−１３８６号公報
【特許文献３】
特表２００１−５０６２１６号公報
【特許文献４】
特表２００２−５１７３７６号公報
【特許文献５】
特開２００２−２０１９１号公報
【０００５】
［特許文献１］の「一液推進方法および一液推進装置」は、一液推進薬により推力を得るに際し、一液推進薬としてヒドロキシンアンモニウムナイトレートと燃料を含む混合液を用い、混合液のうち一部を触媒により分解して高温ガスを発生させると共に、混合液のうち残部を燃焼空間内に直接噴射し、直接噴射した混合液を燃焼空間内で高温ガスにより点火燃焼させて推力を得る、ものである。
【０００６】
［特許文献２］の「固体推進薬」は、酸化剤成分である硝酸ヒドロキシンアンモニウムと燃料成分である炭化水素系高分子ないしはゴム質材料からなるバインダーと適宜の補助剤を混合してなる、ものである。
【０００７】
［特許文献３］の「固溶体乗物エアバッククリーンガス発生器の推進薬」は、ａ）ポリアルキルアンモニウムバインダーと、ｂ）硝酸アンモニウム、及び第１添加剤の融点だけでなく該硝酸アンモニウムの融点よりも十分に低い温度で液体である共晶溶融物を生成する該第１添加剤からなる酸化剤混合物とからなる、ものである。
［特許文献４］の「含水組成物をベースとするガス発生用固体発火燃料」は、ゲル化効果を有する少なくとも１種の有機結合剤と、この結合剤によって吸収される液相の少なくとも１種の主酸化剤系とからなる、燃焼時に固体残留物を生じないガスを発生する発火組成物において、ゲル化効果を有する有機結合剤がポリビニルアルコール、ヒドロキシエチルセルロースおよびキサンタンガムからなる群の中から選択され、液相の主酸化剤系が水と硝酸ヒドロキシルアンモニウムとの混合物からなる、ものである。
【０００８】
［特許文献５］の「液体酸化剤及びハイブリッド推進薬」は、硝酸ヒドロキシルアンモニウムと、ヒドラジニウムニトロフォルメイト、アンモニウムジニトラミド、硝酸アンモニウム、及び過酸化水素からなる群より選択された１種類以上の酸化剤とを含有する、ものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
［非特許文献１］に開示されているように、１液推進薬（モノプロペラント）として、ヒドラジン、過酸化水素、酸化エチレン、及びニトロメタンが従来から試験的に用いられている。しかし、化学的、熱的に安定で貯蔵性が良く、かつ分解／反応しやすく良好な燃焼特性を有することから、現在ではヒドラジンのみが実用され、その他は今日では使われていない。
【００１０】
ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）の触媒反応は、中間生成物を無視すると、式（１）で示すことができる。
３Ｎ２Ｈ４→４（１−ｘ）ＮＨ３＋（１＋２ｘ）Ｎ２＋６ｘＨ２・・・（１）
【００１１】
式（１）において、ｘはアンモニアの解離度であり、解離度ｘに応じて、ヒドラジンは、断熱反応温度９００〜１６００Ｋ、特性排気速度１２００〜１３５０ｍ／ｓ、比推力２００〜２３０ｓ、等の優れた燃焼特性を有する。
【００１２】
しかし、ヒドラジンは毒性が強く、取り扱い時には防護服等で身を固める必要があり、取り扱い性が悪い問題点があった。
【００１３】
一方、［非特許文献１］には、ＨＮ（ｈｙｄｒａｚｉｎｉｕｍ  ｎｉｔｒａｔｅ：硝酸ヒドラジン）及びＨＮ−Ｈ２Ｏ混合薬が１液推進薬として例示されている。
【００１４】
ＨＮ（硝酸ヒドラジン）は、ロケットエンジンの残留物の１つとして発見されたものであり、非常に安定性が高く、大気圧下では、電気加熱線によっても燃焼しない特性を有する。
【００１５】
また、表１に示すように、ＨＮ単体では、爆轟（デトネーション）が起こり得るが、ＨＮ−Ｈ２Ｏ混合薬は、ＨＮが７５％未満では爆轟は起こらないことが知られている。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
更に、図５に示すように、ＨＮ−Ｈ２Ｏ−ＨＹＤＲＡＺＩＮＥ系の推進薬は、水の量が４０％以下の性能の高い領域において、爆轟性があり、かつヒドラジンを含むため取り扱い性も悪い問題点があった。
【００１８】
本発明は、上述した従来の状況に鑑みて成されたものある。すなわち、本発明の目的は、毒性が低く取り扱いが容易であり取り扱い時に防護服等で身を固める必要性を大幅に低減又は無くすことができ、かつヒドラジンに匹敵する燃焼特性を有する１液推進薬（モノプロペラント）とこれを用いた高温ガス発生方法を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）、ヒドラジウムナイトレート（ＨＮ）及び水を含むＨＡＮ／ＨＮ混合系の酸化剤と燃料成分とからなる、ことを特徴とするＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントが提供される。
【００２０】
ＨＡＮのみでは応答性（圧力の立ち上がり特性）が悪く、インジェクションから推力発生若しくはガス発生までに時間がかかる。また、ＨＮ−Ｈ２Ｏ−ＨＹＤＲＡＺＩＮＥ系では爆轟性があり、特に性能の高い水の量が４０％以下の領域では爆轟する。
これに対して、本発明の構成では、両成分を含むため、応答性が高いことが後述する試験結果で確認された。また、ＨＡＮの安定性が非常に高いため、爆轟性のないモノプロペラントが得られる。さらに、本発明のモノプロペラントは、毒性の高いヒドラジンを含まないので、取り扱いが容易であり防護服等の必要性を大幅に低減又は無くすことができる。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態によれば、ＨＡＮとＨＮの合計含有量が２０％以上、９０％未満であり、水の含有量が１０％以上、５０％以下である。
【００２２】
ＨＡＮ−Ｈ２Ｏ混合薬は、ＨＡＮが９０％未満では爆轟は起こらないので、ＨＡＮの一部をＨＮに置き換えてもその合計含有量が２０％以上、９０％未満であり、爆轟は起こらない。従って、水の含有量を１０％以上、５０％以下にすることで、性能が高く爆轟性のないモノプロペラントが得られる。
【００２３】
また、前記燃料成分は、トリエタノールアンモニウムナイトレート（ＴＥＡＮ）又はアルコール類を含む炭化水素系燃料である。
【００２４】
ＴＥＡＮを燃料成分とすることで、燃焼効率が高く応答性に優れた１液推進薬とすることができる。またアルコール類を含む炭化水素系燃料を燃料成分とすることで、取り扱い性のよい低コストの１液推進薬とすることができる。
【００２５】
また、本発明によれば、ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）、ヒドラジウムナイトレート（ＨＮ）及び水を含むＨＡＮ／ＨＮ混合系の酸化剤と燃料成分とからなるＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントを、触媒に直接噴霧して高温ガスを発生させる、ことを特徴とする高温ガス発生方法が提供される。
【００２６】
この方法によれば、ＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントが、毒性の高いヒドラジンを含まないので、取り扱いが容易であり取り扱い時に防護服等で身を固める必要がない。
また、このモノプロペラントは応答性がよく、かつ性能の高い水の量が１０〜５０％の範囲で爆轟性がないので、触媒に直接噴霧するだけで高い応答性で高温ガスを発生させることができる。
【００２７】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記触媒は、イリジウム系触媒であり、これを５０℃以上、３００℃以下に予熱する。
イリジウム系触媒は入手が容易であり、これを５０℃以上、３００℃以下に予熱するだけで、反応遅れ時間の短い高い応答性で高温ガスを発生させることができることが、後述する試験結果により確認された。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。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。
【００２９】
図１は、本発明の方法を実施するための試験装置の構成図である。この図において、１は１液推進薬（モノプロペラント）、２は加圧ガスタンク、４は推進薬タンク、６ａ，６ｂは電磁弁、７ａ，７ｂは手動開閉弁、８はスラスタ、９ａ，９ｂはヒータ、１０は触媒、Ｐは圧力計測器、Ｔは温度計測器である。
【００３０】
加圧ガスタンク２は、１液推進薬１と反応しない不活性ガス（例えば、Ｎ２，Ａｒ，Ｈｅ）を例えば１〜３Ｍｐａの圧力で内蔵し、手動開閉弁７ａを介して推進薬タンク４内の１液推進薬１を加圧し、手動開閉弁７ｂを介して電磁弁６ａ，６ｂへ加圧状態の１液推進薬１を供給する。
【００３１】
電磁弁６ａ，６ｂは、この例では直列に配置され、図示しない制御装置により、２つの電磁弁の連動により、周期的に短時間だけ両方を開くパルスモードを可能にしている。ヒータ９ａは、電磁弁６ａ，６ｂ内の推進薬を予熱し、所定の温度に保持する。
【００３２】
スラスタ８は、内蔵する触媒１０により、１液推進薬１を反応／分解させ高温ガスを発生させる。ヒータ９ｂは、触媒１０を予熱し、所定の温度に保持する。
【００３３】
本発明の１液推進薬（モノプロペラント）１は、ＨＡＮ／ＨＮ混合系の酸化剤と燃料成分とからなる。
酸化剤は、ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）、ヒドラジウムナイトレート（ＨＮ）及び水を含む。また、ＨＡＮとＨＮの合計含有量が２０％以上、９０％未満であり、水の含有量が１０％以上、５０％以下であるのがよい。
燃料成分は、好ましくはトリエタノールアンモニウムナイトレート（ＴＥＡＮ）であるが、炭化水素系燃料であってもよい。
【００３４】
触媒１０は、イリジウム系触媒であるのが好ましいが、本発明はこれに限定されず、その他の周知の触媒、例えばＰｔ，Ｐｄ等を用いることができる。
【００３５】
図２は、本発明の方法に用いるスラスターの一例を示す構成図である。この図において、触媒１０は、２５−３０ＭＥＳＨの細かい粒子からなる触媒（ＳＨＥＬＬ  ＮＯ．４０５）と、１４−１８ＭＥＳＨの粗い粒子からなる触媒（ＳＨＥＬＬ  ＮＯ．４０５）との２層になっている。また、１１は噴射装置であり、１液推進薬１を微細な液滴の状態で触媒に直接噴霧するようになっている。
【００３６】
上述した装置を用い、本発明の方法では、ＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラント１を、所定温度に予熱した触媒に直接噴霧して高温ガスを発生させる。
この方法により、微細な液滴状態の１液推進薬（モノプロペラント）１を触媒層で補足して蒸発させるとともに、１液推進薬１を反応／分解させ高温ガスを発生させることができる。
【００３７】
【実施例】
以下、上述した装置を用いた試験結果を説明する。
【００３８】
この試験では、１液推進薬（モノプロペラント）として、ＨＮ／ＨＡＮ／ＴＥＡＮ／Ｈ２Ｏの重量比率が１６／４７／２０／１７のもの（Ｔｙｐｅ：Ａ）と２０／４０／２０／２０のもの（Ｔｙｐｅ：Ｂ）の２種を試験した。また、触媒１０としてイリジウム系触媒を用い、初期触媒温度を２００℃に保持した。
【００３９】
図３は、本発明の実施例を示すパルスモード試験結果である。この試験は、２つの電磁弁６ａ，６ｂの連動により、周期的に０．１ｓｅｃ／ＯＮ、０．９ｓｅｃ／ＯＮを繰返し、その応答性を試験したものである。０．１ｓｅｃ／ＯＮによる推進薬の供給量は０．０４ｇ／パルスである。またこの図において、横軸は時間、縦軸は電磁弁６ａ，６ｂのＯＮ／ＯＦＦとこれに対応するスラスタ内の圧力変化を示している。
この図から、スラスタ内の圧力変化は、電磁弁６ａ，６ｂのＯＮ／ＯＦＦに正確に追従しており、応答性が非常に高いことが確認された。
【００４０】
図４は、本発明の実施例を示す反応遅れ試験結果である。この図において、横軸は触媒温度、縦軸は反応遅れ時間である。また、図中の■は従来例（ＨＡＮ−ＴＥＡＮ）、○は本発明の上述したＴｙｐｅ：Ａである。
この図から、１００℃以上の予熱温度において、本発明の１液推進薬の反応遅れ時間は、従来例よりも１桁（１０倍）以上短く、応答性に優れていることがわかる。
【００４１】
上述したように、本発明の１液推進薬は、従来例よりも応答性が非常に高いことが試験結果で確認された。また、ＨＮの安定性が非常に高いため、水の含有量が反応性の高い１０％以上、５０％以下の範囲で爆轟性のないモノプロペラントが得られる。さらに、本発明のモノプロペラントは、毒性の高いヒドラジンを含まないので、取り扱いが容易であり防護服等の必要性を大幅に低減又は無くすことができる。
【００４２】
また、本発明の１液推進薬は、その組成から、以下の燃焼特性を有することが試算できる。
燃焼温度：約９００〜２４００Ｋ、
比推力：１８０〜２６０ｓ
従って、本発明の１液推進薬は、ヒドラジンに匹敵する燃焼特性を有するといえる。
【００４３】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００４４】
【発明の効果】
上述したように、本発明のＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントとこれを用いた高温ガス発生方法は、毒性が低く取り扱いが容易であり取り扱い時に防護服等で身を固める必要性を大幅に低減又は無くすことができ、かつヒドラジンに匹敵する燃焼特性を有する、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実施するための試験装置の構成図である。
【図２】本発明の方法に用いるスラスターの一例を示す構成図である。
【図３】本発明の実施例を示すパルスモード試験結果である。
【図４】本発明の実施例を示す反応遅れ試験結果である。
【図５】ＨＮ−Ｈ２Ｏ−ＨＹＤＲＡＺＩＮＥ系推進薬の爆轟特性を示す図である。
【符号の説明】
１  １液推進薬（モノプロペラント）、
２  加圧ガスタンク、４  推進薬タンク、
６ａ，６ｂ  電磁弁、７ａ，７ｂ  手動開閉弁、
８  スラスタ、９ａ，９ｂ  ヒータ、１０  触媒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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