(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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ル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ことを特徴とする一液推進方法。
【請求項２】
一液推進薬としてヒドロキシルアンモニウムナイトレートと水と燃料の混合液を用いる請求項１に記載の一液推進方法。
【請求項３】
燃料としてトリエタノールアンモニウムナイトレートを用いる請求項１または２に記載の一液推進方法。
【請求項４】
燃料として炭化水素系燃料を用いる請求項１または２に記載の一液推進方法。
【請求項５】
混合液のうち、１０〜３０重量％を触媒により分解して高温ガスを発生させると共に、７０〜９０重量％を燃焼空間内に直接噴射する請求項１ないし４のいずれかに記載の一液推進方法。
【請求項６】
ヒドロキシルアンモニウムナイトレートと燃料を含む混合液からなる一液推進薬を収容する推進薬収容部と、混合液のうち一部を分解して高温ガスを発生させる触媒層と、混合液のうち残部を噴射する噴射器と、噴射された混合液を高温ガスにより点火燃焼させて推力を得る燃焼空間をそなえたことを特徴とする一液推進装置。
【請求項７】
一液推進薬はヒドロキシルアンモニウムナイトレートと水と燃料の混合液からなる請求項６に記載の一液推進装置。
【請求項８】
触媒層は混合液のうち１０〜３０重量％を分解して高温ガスを発生させると共に、噴射器は混合液のうち７０〜９０重量％を燃焼空間内に直接噴射する請求項６に記載の一液推進装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的小推力の用途、例えば、ロケットの姿勢制御用エンジン（スラスター等）の推力発生源として利用される一液推進方法および一液推進装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液体ロケットエンジンには液体推進薬が用いられるが、この液体推進薬は、大別して、一液推進薬と二液推進薬に分けることができる。
【０００３】
このうち、一液推進薬は、通常の大気状態では安定で、触媒あるいは加熱・加圧などにより反応して高温ガスを発生する単一物資または混合物の液体である。また、二液推進薬は、液体の燃料と液体の酸化剤を別々に供給して反応を生じさせることにより推力を得ることができるようにしたものである。
【０００４】
図２は一液推進薬を用いた従来の一液推進装置の基本構造を例示するものであって、この一液推進装置２１は、Ｈｅ，Ｎｅなどの加圧用ガスを貯える気蓄器２２と、調圧弁（レギュレータ）２３と、遮断弁２４と、過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）やヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）などの一液推進薬２５Ｐを収容する推進薬収容部２５と、一液推進薬２５Ｐの供給量を調整する推薬弁２６と、スラスター２７とを配管２８により接続し、スラスター２７の前側部分に触媒層２７Ｃをそなえていると共に後側部分にノズル部２７Ｎを形成し、中間の空胴部分が燃焼空間２７Ｂとなっている構造をなすものである。
【０００５】
このような構造において、調圧弁２３および遮断弁２４の開度を調整することによって気蓄器２２内のガス圧力を推進薬収容部２５内の一液推進薬２５Ｐに加え、推薬弁２６の開度を調整することによって、スラスター２７の触媒層２７Ｃに一液推進薬２５Ｐを送給する。
【０００６】
一液推進薬２５Ｐは触媒層２７Ｃを通過することにより分解され、例えば、一液推進薬２５Ｐがヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）である場合にはＮＨ３，Ｎ２，Ｈ２などに分解されてこれらの混合ガスとなり、この際発熱することにより生成される高温ガスがノズル部２７Ｎより出ることによって推力を発生する。
【０００７】
この場合、触媒としては、例えば、アルミナのごとき多孔質の触媒担体にイリジウム（Ｉｒ）などを付着させたものが用いられ、分解を促進させるために燃料を電気的に加熱して用いることもありうる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の場合において、一液推進薬として過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）を用いるときには、比推力が１４０〜１６０ｓ程度と低いため、これよりも大きい２００〜２３０ｓ程度の比推力を得ることができるヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）が多く使用されているが、この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って、取り扱い性が良くないと共に、値段も高いという問題点があったことから、このような問題点を解消し、取り扱い性が良くしかもある程度の比推力を得ることができ、低コストのものとすることが可能である一液推進方法および一液推進装置の開発が望まれているという課題があった。
【０００９】
【発明の目的】
本発明は、このような従来の課題にかんがみてなされたものであって、従来のヒドラジンに比べて毒性が少なく蒸気が爆発するおそれもなく取り扱い性が良好でありしかも有毒なヒドラジンに劣らない大きな比推力を得ることが可能であり、さらにはコストのより一層の低減をはかることも可能である一液推進方法および一液推進装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる一液推進方法は、請求項１に記載しているように、一液推進薬により推力を得るに際し、一液推進薬として少なくともヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＮＨ３（ＯＨ）ＮＯ３）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ようにしたことを特徴としている。
【００１１】
そして、本発明に係わる一液推進方法の実施態様においては、請求項２に記載しているように、一液推進薬としてヒドロキシルアンモニウムナイトレートと水と燃料の混合液を用いることができる。
【００１２】
同じく、本発明に係わる一液推進方法の実施態様においては、請求項３に記載しているように、燃料としてトリエタノールアンモニウムナイトレート（ＴＥＡＮ）を用いることができ、あるいは、請求項４に記載しているように、燃料として炭化水素系（Ｃ／Ｈ系）燃料を用いることができる。
【００１３】
同じく、本発明に係わる一液推進方法の実施態様においては、請求項５に記載しているように、混合液のうち、１０〜３０重量％を触媒により分解して高温ガスを発生させると共に、７０〜９０重量％を燃焼空間内に直接噴射するようになすことができる。
【００１４】
本発明に係わる一液推進装置は、請求項６に記載しているように、少なくともヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＮＨ３（ＯＨ）ＮＯ３）と燃料を含む混合液からなる一液推進薬を収容する推進薬収容部と、混合液のうち一部を分解して高温ガスを発生させる触媒層と、混合液のうち残部を噴射する噴射器と、噴射された混合液を高温ガスにより点火燃焼させて推力を得る燃焼空間をそなえた構成としたことを特徴としている。
【００１５】
そして、本発明に係わる一液推進装置の実施態様においては、請求項７に記載しているように、一液推進薬はヒドロキシルアンモニウムナイトレートと水と燃料の混合液からなるものとすることができる。
【００１６】
同じく、本発明に係わる一液推進装置の実施態様においては、請求項８に記載しているように、触媒層は混合液のうち１０〜３０重量％を分解して高温ガスを発生させると共に、噴射器は混合液のうち７０〜９０重量％を燃焼空間内に直接噴射するものとすることができる。
【００１７】
本発明に係わる一液推進方法および一液推進装置において、一液推進薬としては、上記したように、少なくともヒドロキシルアンモニウムナイトレートと燃料を含む混合液が使用される。
【００１８】
このうち、ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（硝酸ヒドロキシルアンモニウム；ＮＨ３（ＯＨ）ＮＯ３）は、低温では白色針状晶をなすものであるが、潮解性がきわめて強い性質を有するものであるため、常温では水を含むシロップ状になるものであり、酸化能力も大きいもの（酸素バランスは約３３．３３％）である。
【００１９】
そして、このヒドロキシルアンモニウムナイトレート単体では比推力は１４０ｓ程度，火炎温度は１１００Ｋ程度（５０ａｔｍ，最適開口比）であるが、酸素を発生することからこれに燃料を添加することによって比推力および火炎温度はかなり上昇するものとなる。
【００２０】
また、燃料としては、トリエタノールアンモニウムナイトレート（ＴＥＡＮ）を用いることができ、あるいは、アルコールおよび水等と溶解しやすい炭化水素系（Ｃ／Ｈ系）燃料およびヒドロキシルアンモニウムナイトレートを混合したときに液状を保ちうる炭化水素系（Ｃ／Ｈ系）燃料（炭化水素系（Ｃ／Ｈ系）でもヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）と混合して液体状を保つものには、例えば、ポリウレタン等のポリマーがある。）を用いることができ、適宜水を添加したものを用いることができる。
【００２１】
そして、一液推進薬を構成する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、混合液の残部を燃焼空間内に直接噴射する。
【００２２】
この混合液の一部を分解して高温ガスを発生させる触媒としては、Ｐｔ，Ｐｄなどを用いることができ、ヒドロキシルアンモニウムナイトレートを下記式により分解して熱を発生し高温のガスとなる。
【００２３】
0003884127.tif 000002
【００２４】
この場合、触媒により分解されて高温ガスを発生する混合液量は、１０〜３０重量％とすることがより望ましく、燃焼空間へ直接噴射する混合液量は、７０〜９０重量％とすることがより望ましい。
【００２５】
すなわち、触媒により分解される混合液量が１０重量％未満、直接噴射する混合液量が９０重量％超過であると、発生する高温ガス量が少なくなって直接噴射する混合液への着火性が低下する傾向となり、反対に、触媒により分解される混合液量が３０重量％超過、直接噴射する混合液量が７０重量％未満であると、性能が低下する傾向となる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明による一液推進方法では、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ル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ようにしたから、従来のヒドラジンに比べて毒性が少なく蒸気が爆発するおそれもなく取り扱い性が良好でありしかも有毒なヒドラジンに劣らない大きな比推力を得ることが可能であり、さらにはコストのより一層の低減を実現することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００２７】
そして、請求項２に記載しているように、一液推進薬としてヒドロキシルアンモニウムナイトレートと水と燃料の混合液を用いるようになすことによって、潮解性の強いヒドロキシルアンモニウムナイトレートの特質を有効に活用することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００２８】
また、請求項３に記載しているように、燃料としてトリエタノールアンモニウムナイトレートを用いる（例えば、ヒドロキシルアンモニウムナイトレート５５〜７５重量％、トリエタノールアンモニウムナイトレート５〜２５重量％、水１０〜２５重量％）ことによって、燃焼効率が良好な一液推進薬とすることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００２９】
さらに、請求項４に記載しているように、燃料として炭化水素系燃料を用いることによって、取り扱い性の良い低コストの一液推進薬とすることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３０】
さらにまた、請求項５に記載しているように、混合液のうち、１０〜３０重量％を触媒により分解して高温ガスを発生させると共に、７０〜９０重量％を燃焼空間内に直接噴射するようになすことによって、燃焼空間内で混合液を良好に分解燃焼させることが可能であり、従来に比べて触媒層を通過させる液量を少なくすることによって、混合液の停止がより鋭敏なものとなり、応答性をより一層向上させることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３１】
本発明による一液推進装置では、ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＮＨ３（ＯＨ）ＮＯ３）と燃料を含む混合液からなる一液推進薬を収容する推進薬収容部と、混合液のうち一部を分解して高温ガスを発生させる触媒層と、混合液のうち残部を噴射する噴射器と、噴射された混合液を高温ガスにより点火燃焼させて推力を得る燃焼空間をそなえた構成としたから、従来のヒドラジンに比べて毒性が少なく蒸気が爆発するおそれもなく取り扱い性が良好でありしかも有毒なヒドラジンを用いた場合に劣らない大きな比推力を発生する一液推進装置を低コストで提供することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３２】
そして、請求項７に記載しているように、一液推進薬はヒドロキシルアンモニウムナイトレートと水と燃料の混合液からなるものとすることによって、潮解性の強いヒドロキシルアンモニウムナイトレートの特性を有効に活用することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３３】
また、請求項８に記載しているように、触媒層は混合液のうち１０〜３０重量％を分解して高温ガスを発生させると共に、噴射器は混合液のうち７０〜９０重量％を燃焼空間内に直接噴射するようになすことによって、燃焼空間内で混合液を良好に分解燃焼させることが可能であり、従来に比べて触媒層を通過させる液量を少なくすることによって、混合液の停止をより一層鋭敏なものとすることが可能となり、応答性をより一層向上させた一液推進装置とすることが可能になるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３４】
【実施例】
以下、本発明に係わる一液推進方法および一液推進装置の実施例について述べるが、本発明はこのような実施例にのみ限定されないことはいうまでもない。
【００３５】
図１は本発明による一液推進方法を実施するための一液推進装置の基本構造を例示するものであって、この一液推進装置１は、Ｈｅ，Ｎｅなどの加圧用ガスを貯える気蓄器２と、調圧弁（レギュレータ）３と、遮断弁４と、この実施例ではヒドロキシルアンモニウムナイトレート６６重量％と水１８重量％とトリエタノールアンモニウムナイトレート１６重量％の混合比をもつ混合液からなる一液推進薬５Ｐを収容する推進薬収容部５と、一液推進薬５Ｐの供給量を調整する推薬弁６と、スラスター７とを配管８により接続し、スラスター７の前側部分の中央には途中に分岐量調整弁８Ａを設けた触媒層側分岐配管８Ｃと接続した触媒層７Ｃをそなえていると共に、触媒層７Ｃの外側には途中に分岐量調整弁８Ｂを設けた噴射器側分岐配管８Ｊと接続した噴射器７Ｊをそなえ、スラスター７の後側部分にノズル部７Ｎを形成し、中間の空胴部分が燃焼空間７Ｂとなっている構造をなすものである。
【００３６】
このような構造において、調圧弁３および遮断弁４の開度を調整することによって気蓄器２内のガス圧力を推進薬収容部５内の一液推進薬５Ｐに加え、推薬弁６の開度を調整することによって、一液推進薬５Ｐの全体送給量を制御すると共に分岐量調整弁８Ａ，８Ｂの開度を調整することによって、触媒層７Ｃに流れる混合液量と噴射器７Ｊから噴射される混合液量を調整し、この実施例では混合液の１５重量％が触媒層７Ｃに流れ、かつ８５重量％が噴射器７Ｊから噴射されるようにした。
【００３７】
そこで、触媒層側分岐配管８Ｃを流れる一液推進薬５Ｐは触媒層７Ｃを通過することにより分解され、
0003884127.tif 000003
となって高温のガスとなり、燃焼空間７Ｂに送給される。
【００３８】
他方、噴射器側分岐配管８Ｊを流れる一液推進薬５Ｐは噴射器７Ｊによって燃焼空間７Ｂの内部に直接噴射され、前記触媒層７Ｃで分解されて生じた高温のガスにより点火されて分解燃焼し、この高温の燃焼ガスがノズル部７Ｎより出ることによって推力を発生することとなり、この実施例では最大２５０ｓの比進力と最高３０００Ｋの火炎温度（５０ａｔｍ，最適開口比）を達成することが可能であった。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による一液推進方法を実施するため一液推進装置の実施例を示す基本構成説明図である。
【図２】  従来例による一液推進装置を示す基本構成説明図である。
【符号の説明】
１  一液推進装置
２  気蓄器
３  調圧弁
４  遮断弁
５  推進薬収容部
５Ｐ  一液推進薬
６  推薬弁
７  スラスター
７Ｂ  燃焼空間
７Ｃ  触媒層
７Ｊ  噴射器
７Ｎ  ノズル部
８  配管
８Ａ  分岐量調整弁
８Ｂ  分岐量調整弁
８Ｃ  触媒層側分岐配管
８Ｊ  噴射器側分岐配管
【図１】
0003884127.tif 000004
【図２】
0003884127.tif 000005