(57)【要約】【課題】ロケットモータの設計範囲の拡大と高性能化を行うための、幅広い燃焼速度の調整が可能な固体推進薬組成物および固体推進薬組成物の燃焼速度を調整する方法の提供。【解決手段】過塩素酸アンモニウムを主成分とする酸化剤及びバインダを含む固体推進薬組成物に平均粒径１〜５０ｎｍの酸化鉄を配合する。酸化鉄としては、例えば、ＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４の１種又は２種以上を用いることができ、酸化鉄は、予めバインダもしくは可塑剤と混合した形態で配合することが好ましい。【選択図】 なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
過塩素酸アンモニウムを主成分とする酸化剤及びバインダを含む固体推進薬組成物に平均粒径１〜５０ｎｍの酸化鉄を配合してなることを特徴とする固体推進薬組成物。
【請求項２】
過塩素酸アンモニウムを主成分とする酸化剤及びバインダを含む固体推進薬組成物に平均粒径１〜５０ｎｍの酸化鉄を配合することを特徴とする固体推進薬組成物の燃焼速度を調整する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロケット用の推進剤として利用される固体推進薬組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロケットモータに用いられる固体推進薬は、酸化剤と燃料兼結合剤からなるコンポジット推進薬と、ニトログリセリンとニトロセルロースを主成分とするダブルベース推進薬とに大別される。現在、これらの固体推進薬の中で過塩素酸アンモニウムを酸化剤とし、アルミニウム粉を金属燃料とし、ポリブタジエンを主成分とする燃料兼結合剤からなるコンポジット推進薬が、その優れた燃焼特性と機械的特性により広く使用されている。
【０００３】
近年、ロケットモータの設計範囲の拡大と高性能化を目的として、固体推進薬に対して幅広い燃焼速度の調整が求められるようになっている。固体推進薬の燃焼速度を調整する方法の一つとして燃焼触媒を用いる方法がある。酸化鉄は過塩素酸アンモニウムを含む固体推進薬の燃焼速度を高め短時間に大きな推力を得ることができる正燃焼触媒として知られている（例えば特許文献１参照）
一方、固体推進薬の燃焼速度を低下させ長時間の使用を可能とする負燃焼触媒としてはフッ化リチウムのようなリチウム化合物が知られている。（例えば非特許文献１参照）
【０００４】
【特許文献１】特公平７−２５６３１号公報
【非特許文献１】社団法人  火薬学会編「エネルギー物質ハンドブック」、１９９９年３月１日、ｐ２４２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１で燃焼触媒として開示されている酸化鉄は固体推進薬の燃焼速度を増大させるものの、添加量に対する燃焼速度の変化量はそれ程大きくないため、目的とする効果を確保するためには添加量が必然的に多くなるが、その一方で、酸化鉄の添加量が増すと推進薬の比推力が低下する。このため、少量の添加で要求される燃焼速度が得られる触媒効果の高い燃焼触媒の開発が要望されていた。
本発明は、ロケットモータの設計範囲の拡大と高性能化を行うための、幅広い燃焼速度の調整が可能な固体推進薬組成物、および固体推進薬組成物の燃焼速度を調整する方法の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、前記の問題点を考慮し鋭意研究した結果、特定の酸化鉄を用いることによって、これらの問題点が解決できることの知見を得て本発明を完成するに至った。即ち本発明は、以下の通りである。
（１）過塩素酸アンモニウムを主成分とする酸化剤及びバインダを含む固体推進薬組成物に平均粒径１〜５０ｎｍの酸化鉄を配合してなることを特徴とする固体推進薬組成物。
（２）過塩素酸アンモニウムを主成分とする酸化剤及びバインダを含む固体推進薬組成物に平均粒径１〜５０ｎｍの酸化鉄を配合することを特徴とする固体推進薬組成物の燃焼速度を調整する方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の固体推進薬組成物は、幅広い燃焼速度の調整が可能であるため、ロケットモータの設計範囲の拡大と高性能化を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明について、以下具体的に説明する。
本発明の固体推進薬組成物は、過塩素酸アンモニウムを主成分とする酸化剤とバインダ（燃料兼結合剤）及び平均粒径が１〜５０ｎｍの範囲にあるナノサイズの酸化鉄を含有することを特徴としている。
本発明において使用される過塩素酸アンモニウムの平均粒径は、特に限定されないが、１〜５００μｍの範囲にあるものが好ましい。平均粒径が１μｍ未満の場合は推進薬の製造性が悪くなり、５００μｍを超えた場合は推進薬の燃焼速度が低下する。
【０００９】
本発明において使用される燃料兼結合剤としては、従来公知の全てのバインダが使用可能である。例えば、末端水酸基ポリブタジエン（ＨＴＰＢ）、末端カルボキシル基ポリブタジエン（ＣＴＰＢ）、末端水酸基ポリエーテル（ＨＴＰＥ）、グリシジルアジドポリマー（ＧＡＰ）や、３，３−ビス（アジドメチル）オキセタン（ＢＡＭＯ）と３−ニトラトメチル−３−メチルオキセタン（ＮＭＭＯ）の共重合体のようなアジド基及びニトラト基含有ポリマー等を主剤とするバインダである。
【００１０】
前記バインダには、硬化剤としてイソシアネート化合物、例えばイソホロンジイソシアネート、トリレジンイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、ジフェニルメソシアネート、トリフェニルメタントリイソシアネート等が加えられる。また、架橋剤として多官能の水酸基をもつ化合物、例えばトリトリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、グリセリン、ヘキサントリオール、ジグリセリン等や、多官能のイソシアネートをもつ化合物等を用いることができる。
【００１１】
更に、硬化触媒として、ブチルチントリクロライド、ジブチルチンジアセテート、ジブチルチンジラウレート等の有機錫化合物や、フェリックアセチルアセトン、フェリックジフェニルアセチルアセトン等の有機鉄化合物、トリスパラ−エトキシフェニルビスマス、トリフェニルビスマス、無水マレイン酸等の触媒が使用できる。
【００１２】
また、必要に応じてジオクチルアジペート（ＤＯＡ）、ジブチルジグリコールアジペート（ＢＸＡ）、ジブチルフタレート（ＤＢＰ）等の不活性可塑剤や、トリメチロールエタントリナイトレート（ＴＭＥＴＮ）、ブタントリオールトリナイトレート（ＢＴＴＮ）、ブチルニトラトメチルニトラミン（ＢｕＮＥＮＡ）等のようなニトラト基、ニトラミン基を持った化合物や、ＧＡＰ可塑剤のようなアジド基を持った化合物をエネルギー可塑剤として添加することができる。
【００１３】
本発明において使用される酸化鉄としては、例えば、ＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４を挙げることができ、その１種類または２種類以上を使用することができる。酸化鉄の粒子形状については特に限定されないが、配合する酸化鉄粒子の平均粒径は１〜５０ｎｍであることが必要である。また、配合後に固体推進薬組成物中に分散して存在する酸化鉄粒子もこの平均粒径を維持することが好ましい。
配合する酸化鉄粒子の平均粒径が１ｎｍ未満の場合は固体推進薬の製造性が悪くなり、５０ｎｍを超えた場合は固体推進薬の燃焼速度増大率が低下する傾向がある。また、このナノサイズの酸化鉄は、バインダもしくは可塑剤と予め混合したものを用いる方が好ましい。これにより、酸化鉄の粒子が凝集することによって起こる固体推進薬の燃焼速度増大率の低下を防止することができる。ナノサイズの酸化鉄の透過型電子顕微鏡写真を図１に示す。
【００１４】
本発明の固体推進薬組成物には用途に応じて、過塩素酸アンモニウム以外の酸化剤、助燃剤としての金属粉末及びその他の添加剤を加えることができる。
過塩素酸アンモニウム以外の酸化剤とは、例えば、硝酸アンモニウム、硝酸カリウム等の硝酸塩や、シクロテトラメチレンテトラニトラミン（ＨＭＸ）、シクロトリメチレントリニトラミン（ＲＤＸ）、ヘキサニトロヘキサアザイソウルチタン（ＨＮＩＷ）等のニトラミン化合物や、三酸化モリブデン、三酸化ビスマス等の金属酸化物があげられる。これらの酸化剤は、固体推進薬の安全性向上や環境に対する影響の低減及び高エネルギー化を達成するための手段として過塩素酸アンモニウムと併用される。
【００１５】
助燃剤としての金属粉末としては、例えば、アルミニウム粉末、マグネシウム粉末等である。金属粉末の平均粒径は通常１００μｍ以下であり、好ましくは０．１〜５０μｍである。平均粒径が１００μｍを超える場合は、金属粉末が完全燃焼しにくくなるため、固体推進薬の燃焼効率が低下する傾向にある。
【００１６】
その他の添加剤としては、アルミナのような金属酸化物や炭化ジルコニウムのような金属炭化物を挙げることができる。これらは固体推進薬の振動燃焼抑制剤として使用することができる。
【００１７】
前記各成分の固体推進薬組成物中の配合量は、通常、酸化剤が５０〜９０重量％、燃料兼結合剤が１０〜３０重量％、ナノサイズの酸化鉄が０．１〜５重量％、助燃剤が０〜３０重量％、その他の添加剤が０〜５重量％である。
【００１８】
本発明の固体推進薬組成物の製造方法は、ナノサイズの酸化鉄を用いること以外は、通常の固体推進薬の製造方法がそのまま適用できる。例えば、全ての原材料を所定の温度で混和・脱泡し、その後、このスラリー薬を所定の型に減圧注型して、所定の温度と時間をかけて硬化させる方法である。尚、ナノサイズの酸化鉄については、バインダもしくは可塑剤に予め添加してペースト状にしたものを用いてもよい。
【実施例】
【００１９】
本発明を実施例に基づいて説明する。
〔実施例１〕
末端水酸基ポリブタジエン（ＨＴＰＢ）１２．５重量部にジオクチルアジペート（ＤＯＡ）２．５重量部を加え混合した。この中に、平均粒径５ｎｍの酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）０．５重量部を仕込み３０分間混合した。次に、この混合物にイソホロンジイソシアネート（ＩＰＤＩ）１．０重量部と過塩素酸アンモニウム（ＡＰ）８４．０重量部を加えて５０℃で３０分間混和・脱泡を行った。その後、このスラリー薬を所定の型に減圧注型して、６０℃の条件下で１０日間反応させることにより固体推進薬を得た。尚、ここで使用した平均粒径５ｎｍの酸化鉄は、X線小角散乱装置により平均粒径の測定を行った。また、今回、平均粒径は最大分布径として求めた。まず、前処理として酸化鉄をエタノール中で超音波分散処理後に内径０．７ｍｍの石英キャピラリーに封入した。測定されたデータは変換ソフトを使って通常の２θ−I（１次元散乱パターン）表示に変換した。解析は、粒子を球形と仮定し、また分布がΓ分布に従うとして、実験データとのフィッティングを行った。測定結果を図１に、解析結果を図２、３に示す。Ｘ線小角散乱による最大分布径は５．４ｎｍであった。
【００２０】
硬化した固体推進薬の燃焼速度は以下の方法により測定を行った。
固体推進薬から外径７ｍｍ、長さ７０ｍｍの円柱状の試料を切り出し、円柱の側面を１ｍｍ厚の樹脂層で被覆した。この試料の上部から約１０ｍｍのところに点火用のニクロム線を通し、２０ｍｍと６０ｍｍの箇所に燃焼速度測定用のヒューズ線を通した。このような試料はストランド試料と呼ばれる。ストランド試料を２０℃に調温された圧力容器内に挿入し、窒素ガスで加圧した後に着火燃焼させて、２本のヒューズ線が切断した時間差とヒューズ線間の距離から固体推進薬の燃焼速度を求めた。測定結果を表２に示す。
また、本組成の固体推進薬の比推力は通常の理論性能計算により求めた。計算結果を表２に示す。
【００２１】
〔実施例２〜４〕
平均粒径５ｎｍの酸化鉄の配合量を表１のように変えた以外は、実施例１と同様の操作を行って固体推進薬の製造を行い、その燃焼速度と比推力を求めた。結果を表２に示す。
【００２２】
〔比較例１〕
平均粒径５ｎｍの酸化鉄を配合しないこと以外は、実施例１と同様の操作を行って固体推進薬の製造を行い、その燃焼速度と比推力を求めた。結果を表２に示す。
【００２３】
〔比較例２〜５〕
平均粒径５ｎｍの酸化鉄の代わりに平均粒径０．４μｍの酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）を用いること以外は、表１の配合組成で実施例１と同様の操作を行って固体推進薬の製造を行い、その燃焼速度と比推力を求めた。結果を表２に示す。尚、ここで使用した平均粒径０．４μｍの酸化鉄は、動的光散乱装置により平均粒径の測定を行った。また、今回、平均粒径は最大分布径として求めた。まず、前処理として酸化鉄を純水中で超音波分散処理した。動的光散乱測定結果を図４に示す。動的光散乱による最大分布径は０．３６μｍ、メディアン径は０．４３μｍであった。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
【表２】
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【００２６】
表２に示されている実施例1〜４と比較例１〜５を比較すると、本発明の固体推進薬が高い燃焼速度を有しており、幅広い燃焼速度の調整が可能であることが良く分かる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の固体推進薬組成物は、ロケットモータの分野で幅広い燃焼速度の調整が可能な推進剤として好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】ナノサイズの酸化鉄の透過型電子顕微鏡写真を示す図である。
【図２】平均粒径５ｎｍの酸化鉄のX線小角散乱測定結果（２θ−I表示）を示す図である。
【図３】平均粒径５ｎｍの酸化鉄の粒径分布解析結果（フィッティング）を示す図である。
【図４】平均粒径５ｎｍの酸化鉄の粒径分布解析結果（得られた分布）を示す図である。
【図５】平均粒径０．４μｍの酸化鉄の動的光散乱測定結果を示す図である。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図１】
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