(57)【要約】  単元推進薬が、硝酸ヒドロキシルアンモニウムを含む３０〜７０重量％の酸化剤と、５〜５０重量％の燃料と、３重量％までのゼロ以外の量の燃焼速度調整剤と、を含む。燃焼速度調整剤は、バナジウム塩、鉄塩、およびそれらの組合せから選択される。単元推進薬は、雰囲気圧で−２０°Ｃ〜１００°Ｃの安定した液体である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
硝酸ヒドロキシルアンモニウムを含む３０〜７０重量％の酸化剤と、
５〜５０重量％の燃料と、
３重量％までのゼロ以外の量の燃焼速度調整剤と、
を備えた単元推進薬であって、
前記燃焼速度調整剤は、バナジウム塩、鉄塩、およびそれらの組合せからなる群から選択され、前記単元推進薬は、雰囲気圧で−２０°Ｃ〜１００°Ｃの安定した液体であることを特徴とする、単元推進薬。
【請求項２】
前記燃焼速度調整剤が、前記バナジウム塩を含むことを特徴とする請求項１に記載の単元推進薬。
【請求項３】
前記バナジウム塩が、五酸化バナジウム、メタバナジン酸アンモニウム、バナジルアセチルアセトネート、硫酸バナジル、およびそれらの組合せからなる群から選択されることを特徴とする請求項２に記載の単元推進薬。
【請求項４】
前記燃焼速度調整剤が、鉄塩を含むことを特徴とする請求項１に記載の単元推進薬。
【請求項５】
前記鉄塩が、硝酸鉄であることを特徴とする請求項４に記載の単元推進薬。
【請求項６】
前記ゼロ以外の量の前記燃焼速度調整剤が、５重量ｐｐｍ〜１重量％であることを特徴とする請求項１に記載の単元推進薬。
【請求項７】
前記ゼロ以外の量の前記燃焼速度調整剤が、５重量ｐｐｍ〜０．５％であることを特徴とする請求項１に記載の単元推進薬。
【請求項８】
前記ゼロ以外の量の前記燃焼速度調整剤が、０．１重量％であることを特徴とする請求項１に記載の単元推進薬。
【請求項９】
前記燃焼速度調整剤が、溶液中に溶解することを特徴とする請求項１に記載の単元推進薬。
【請求項１０】
２重量％までの少なくとも一つの安定剤をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の単元推進薬。
【請求項１１】
前記燃料が、メタノール、エタノール、およびグリシンのうちの少なくとも一つを含み、前記少なくとも一つの安定剤が、少なくとも一つのキレート剤を含み、前記燃焼速度調整剤が、前記バナジウム塩を含むことを特徴とする請求項１０に記載の単元推進薬。
【請求項１２】
硝酸ヒドロキシルアンモニウムを含む３０〜７０重量％の酸化剤と、
５〜５０重量％の燃料と、
モル分率Ａ１の、少なくとも一つの安定剤と、
バナジウム塩、鉄塩、およびそれらの組合せからなる群から選択された、モル分率Ａ２の、燃焼速度調整剤と、
を備えた単元推進薬であって、
前記Ａ１の、前記Ａ２に対する比率が、１ａｔｍ圧力における空気中でのトーチ点火時の燃焼を持続させるように、１．０を上回ることを特徴とする、単元推進薬。
【請求項１３】
前記比率が、７〜３５であることを特徴とする請求項１２に記載の単元推進薬。
【請求項１４】
前記燃焼速度調整剤が、前記バナジウム塩を含むことを特徴とする請求項１２に記載の単元推進薬。
【請求項１５】
前記バナジウム塩が、五酸化バナジウム、メタバナジン酸アンモニウム、バナジルアセチルアセトネート、硫酸バナジル、およびそれらの組合せからなる群から選択されることを特徴とする請求項１３に記載の単元推進薬。
【請求項１６】
前記燃焼速度調整剤が、前記鉄塩を含むことを特徴とする請求項１２に記載の単元推進薬。
【請求項１７】
前記鉄塩が、硝酸鉄であることを特徴とする請求項１６に記載の単元推進薬。
【請求項１８】
前記燃料が、メタノール、エタノール、およびグリシンのうちの少なくとも一つを含み、前記少なくとも一つの安定剤が、少なくとも一つのキレート剤を含み、前記燃焼速度調整剤が、前記バナジウム塩を含むことを特徴とする請求項１２に記載の単元推進薬。
【請求項１９】
単元推進薬の調製方法であって、
初期において任意の燃焼速度調整剤を含まない貯蔵液体単元推進薬中に、燃焼速度調整剤を混合する、
ことを備え、
前記貯蔵液体単元推進薬が、硝酸ヒドロキシルアンモニウムを有する酸化剤と、燃料と、少なくとも一つの安定剤と、を含み、
前記混合された混合物が、
３重量％までのゼロ以外の量の前記燃焼速度調整剤と、
３０〜７０重量％の前記酸化剤と、
５〜５０重量％の燃料と、
２重量％までの前記少なくとも一つの安定剤と、
を含んだ、単元推進薬の調製方法。
【請求項２０】
前記燃焼速度調整剤が、バナジウム塩および鉄塩からなる群から選択されることを特徴とする請求項１９に記載の単元推進薬の調製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１４年２月２１日出願の米国特許仮出願第６１／９４３，０４１号の優先権を主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
液体推進薬は周知であり、ロケットまたはその他の宇宙飛行体の推力を発生させるように用いられる。推進薬の性能は比推力および密度に関して定義される。しかしながら、環境への影響やコストは今や推進薬の選択要因でもある。
【０００３】
硝酸ヒドロキシルアンモニウム（hydroxylammonium nitrate,「ＨＡＮ」）は、その相対的に低い毒性、高いエネルギー密度、高い比推力、および低い凝固点のために、ヒドラジンベースの推進薬に代わるものと考えられている。例えば、ＨＡＮは、酸化剤として燃料および安定剤とともに推進薬中に含まれる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の実施例の単元推進薬が、硝酸ヒドロキシルアンモニウムを含む３０〜７０重量％の酸化剤と、５〜５０重量％の燃料と、３重量％までのゼロ以外の量の燃焼速度調整剤と、を含む。燃焼速度調整剤は、バナジウム塩、鉄塩、およびそれらの組合せから選択される。単元推進薬は、雰囲気圧で−２０°Ｃ〜１００°Ｃの安定した液体である。
【０００５】
前述の実施例の更なる実施例では、燃焼速度調整剤が、バナジウム塩を含む。
【０００６】
前述の実施例のうちのいずれかの更なる実施例では、バナジウム塩が、五酸化バナジウム、メタバナジン酸アンモニウム、バナジルアセチルアセトネート、硫酸バナジル、およびそれらの組合せからなる群から選択される。
【０００７】
前述の実施例のうちのいずれかの更なる実施例では、燃焼速度調整剤が、鉄塩を含む。
【０００８】
前述の実施例のうちのいずれかの更なる実施例では、鉄塩は、硝酸鉄である。
【０００９】
前述の実施例のうちのいずれかの更なる実施例では、ゼロ以外の量の燃焼速度調整剤は、５重量ｐｐｍ〜１重量％である。
【００１０】
前述の実施例のうちのいずれかの更なる実施例では、ゼロ以外の量の燃焼速度調整剤は、５重量ｐｐｍ〜０．５％である。
【００１１】
前述の実施例のうちのいずれかの更なる実施例では、ゼロ以外の量の燃焼速度調整剤は、約０．１重量％である。
【００１２】
前述の実施例のうちのいずれかの更なる実施例では、燃焼速度調整剤は、溶液中に溶解する。
【００１３】
前述の実施例のうちのいずれかの更なる実施例は、２重量％までの少なくとも一つの安定剤を含む。
【００１４】
前述の実施例のうちのいずれかの更なる実施例では、燃料が、メタノール、エタノール、およびグリシンのうちの少なくとも一つを含み、少なくとも一つの安定剤が、少なくとも一つのキレート剤を含み、燃焼速度調整剤が、バナジウム塩を含む。
【００１５】
本発明の実施例の単元推進薬が、硝酸ヒドロキシルアンモニウムを含む３０〜７０重量％の酸化剤と、５〜５０重量％の燃料と、モル分率Ａ１の、少なくとも一つの安定剤と、バナジウム塩、鉄塩、およびそれらの組合せからなる群から選択された、モル分率Ａ２の、燃焼速度調整剤と、を含む。Ａ１の、Ａ２に対する比率は、１ａｔｍ圧力における空気中でのトーチ点火時の燃焼を持続させるように、１．０を上回る。
【００１６】
前述の実施例の更なる実施例では、その比率は７〜３５である。
【００１７】
前述の実施例のうちのいずれかの更なる実施例では、燃焼速度調整剤は、バナジウム塩を含む。
【００１８】
前述の実施例のうちのいずれかの更なる実施例では、バナジウム塩が、五酸化バナジウム、メタバナジン酸アンモニウム、バナジルアセチルアセトネート、硫酸バナジル、およびそれらの組合せからなる群から選択される。
【００１９】
前述の実施例のうちのいずれかの更なる実施例では、燃焼速度調整剤は、鉄塩を含む。
【００２０】
前述の実施例のうちのいずれかの更なる実施例では、鉄塩は硝酸鉄である。
【００２１】
前述の実施例のうちのいずれかの更なる実施例では、燃料は、メタノール、エタノール、およびグリシンのうちの少なくとも一つを含む。少なくとも一つの安定剤は、少なくとも一つのキレート剤を含み、燃焼速度調整剤は、バナジウム塩を含む。
【００２２】
本発明の実施例による単元推進薬の調製方法が、初期において任意の燃焼速度調整剤を含まない貯蔵液体単元推進薬中に、燃焼速度調整剤を混合することを含む。貯蔵液体単元推進薬は、硝酸ヒドロキシルアンモニウムを有する酸化剤と、燃料と、少なくとも一つの安定剤と、を含む。その混合物は、３重量％までのゼロ以外の量の燃焼速度調整剤と、３０〜７０重量％の酸化剤と、５〜５０重量％の燃料と、２重量％までの少なくとも一つの安定剤と、を含む。
【００２３】
前述の実施例の更なる実施例では、燃焼速度調整剤が、バナジウム塩および鉄塩からなる群から選択される。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
硝酸ヒドロキシルアンモニウム（「ＨＡＮ」）ベースの貯蔵液体単元推進薬は、酸化剤としてのＨＡＮと、燃料と、一つ以上の安定剤と、を含む。貯蔵液体単元推進薬の一例は、ＡＦ−Ｍ３１５Ｅである。こうした貯蔵単元推進薬は約３４ａｔｍ（５００ポンド／平方インチ）を下回る燃焼を持続できない。その結果、その圧力未満では、持続した燃焼には、持続性のトーチフレーム点火および／または予熱された触媒層が必要とされる。この点について、本開示のＨＡＮベースの液体単元推進薬はさらに、トーチフレーム点火の中断後、少なくとも短期間の間、燃焼を持続させるように、燃焼を高めるための選択された量の燃焼速度調整剤（burn rate modifier）を含む。液体単元推進薬は、触媒またはパイロット点火装置を要するオープンチャンバ燃焼を可能にするとともに、単元推進薬は例えば約１．０ａｔｍなどの雰囲気圧で−２０°Ｃ〜１００°Ｃの安定した液体である。
【００２５】
一例では、液体単元推進薬は、
硝酸ヒドロキシルアンモニウムを含む３０〜７０重量％の酸化剤と、
５〜５０重量％の燃料と、
２重量％までの少なくとも一つの安定剤と、
３重量％までのゼロ以外の量の燃焼速度調整剤と、を含む。
【００２６】
燃焼速度調整剤は、バナジウム塩、鉄塩、およびそれらの組合せから選択される。バナジウム塩は、五酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）、メタバナジン酸アンモニウム（ＮＨ4ＶＯ3）、バナジルアセチルアセトネート（ＶＯ（Ｃ5Ｈ7Ｏ2）2）、硫酸バナジル（ＶＯＳＯ4）、またはそれらの組合せであってもよい。鉄塩は、硝酸鉄（Ｆｅ（ＮＯ3）3・９Ｈ2Ｏ）であってもよい。更なる例では、液体単元推進薬は、任意の微量不純物とともに例示の成分のみを含む。
【００２７】
バナジウム塩または鉄塩は、液体単元推進薬中に完全にまたは部分的に溶解する。用いられるバナジウム塩または鉄塩の量、および液体単元推進薬中のその他の成分の量に応じて、バナジウム塩または鉄塩の一部が溶解せず、液体単元推進薬中に固体として残留しうる。固体が望ましくない場合、用いられるバナジウム塩または鉄塩の量は溶解限度を下回るレベルまで低減される。
【００２８】
更なる例では、ゼロ以外の量の燃焼速度調整剤は、５重量ｐｐｍ〜１重量％、５重量ｐｐｍ〜０．５重量％、または約０．１重量％である。
【００２９】
更なる例では、燃料は、メタノール、エタノール、グリシンのうちの少なくとも一つを含み、安定剤は、少なくとも一つのキレート剤を含む。安定剤およびキレート剤は、これに限定しないが、チオ硫酸アンモニウム、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、シクロヘキサンジアミン四酢酸（ＣＤＴＡ）、２，２’−ジピリジル（2,2'-dipyridyl）、２−ヒドロキシピリジンＮ−オキシド（2-hydroxypyridine-N-oxide）、デイクエスト（Dequest）(登録商標）、またはそれらの組合せを含む。追加の例は、米国特許第６１７９９３７号明細書に見ることができる。
【００３０】
更なる例では、液体単元推進薬は、
硝酸ヒドロキシルアンモニウムを含む３０〜７０重量％の酸化剤と、
５〜５０重量％の燃料と、
モル分率Ａ１の、少なくとも一つの安定剤と、
モル分率Ａ２の、燃焼速度調整剤と、を含む。
【００３１】
モル分率は、各成分の全モル数に対する所与の成分のモル百分率であることを理解されたい。
【００３２】
燃焼速度調整剤はバナジウム塩、鉄塩、およびそれらの組合せから選択され、分量Ａ１，Ａ２は、１ａｔｍ圧力における空気中でのトーチ点火時に、少なくとも短期間、液体単元推進薬の燃焼を持続させるように、所定の比率内となるように選択される。一例では、Ａ１のＡ２に対する比率（すなわち、Ａ１／Ａ２）は１．０よりも大きい。ＨＡＮベースの推進薬は固有の不安定性を有する。安定剤は安定性を増加させるが、燃焼速度調整剤はその安定性の増加を妨げる。したがって、液体単元推進薬の持続した燃焼を達成するように、その比率によって表現されるような適切な量の安定剤および燃焼速度調整剤が、安定剤の安定効果と、燃焼速度調整剤の不安定化効果とを均衡させるように用いられる。例えば、その比率が１．０未満である場合、燃焼速度が増加するが、推進安定性は不十分となる。比率が１．０を上回る場合（すなわち安定剤が過剰）、安定性が良好であるとともに燃焼速度の向上が良好である。更なる例では、その比率は７〜３５である。
【００３３】
例示の実験では、本発明による液体推進薬の混合物をそれぞれ燃焼カップに注入し、プロパントーチで点火した。プロパントーチを取り外し、その後、約２，３秒まで液体推進薬が燃焼し続けた。
【００３４】
本発明に開示の液体単元推進薬は、初期において任意の燃焼速度調整剤を持たない貯蔵（stock）単元推進薬から調製される。例えば、ある量の燃焼速度調整剤が貯蔵単元推進薬と混合されて、本発明の例による液体単元推進薬が生成される。
【００３５】
特徴部の組合せを図示の例に示すが、本発明の様々な実施例の利点を実現するように必ずしもそれらの全てを組み合わせる必要はない。換言すれば、本発明の実施例に従って設計されたシステムは図の１つに示された特徴部の全て、または図に概略的に示す部位の全てを必ずしも含む必要はない。さらに、一実施例の選択された特徴部をその他の実施例の選択された特徴部と組み合わせても良い。
【００３６】
上記の記載は本質的に限定するものではなく例示に過ぎない。開示の実施例に対する変形および修正が、本開示を必ずしも逸脱することなく、当業者にとって明らかとなるであろう。本開示に付与の法的保護の範囲は、以下の特許請求の範囲を検討することによってのみ決定される。
【国際調査報告】
2017512169.tif 000002
2017512169.tif 000003
2017512169.tif 000004
2017512169.tif 000005
2017512169.tif 000006