固体ロケット 2 次火炎の抑制

(1)

固体ロケット 2 次火炎の抑制

岩尾事件事 ,久保田浪之介事 ,甘木一件' 暮古谷隆志● 事 ,村を雅章' .

固持 F 'ケットにおいて発生する

2

次火炎は高温であることから粒々の鮭専蹄を形成しており.

これを抑制することが盛要な汲哩となってきた｡ここでは.欺唖の推進薬を用いた爽掛こよって.

2

次火炎の発生に及ぼす /*ル形状の彰管及びか )ウム也添加の昏管について検肘した｡

典故の結果. ノI L ･開口比を大きくすることや少丘のカ1 )ウム盤を推進矧こ添加することによって2 次火炎の抑制が可能であることがわかった｡また.添加したカ1 )ウム盤は推進薬鼠有の燃焼火炎の生成を抑制することはなく.燃焼ガスが /ルを出た直後の空気中の放棄と拡散火炎を生成する場合に作用し.中火遅れ時間を増大させることが･わかった｡

1.

はじめに

地上から発射する固体 t 'ケ･ /トにおいでは噴出ガスの無燈化が盤祝され.近年になって高エネルギ添加物である

RDX

あるいは

HMX

をダ1ルベース推進薬に添加することによって高性能化した無塩性推進薬の袈進が可俵となってきた｡しかしながら. ロケットの噴出ガスが高温であることや多丘の可燃性成分を含んでいることから.周E nの空気と拡散,反応し再啓火して燃焼する2 次火炎の発生が開成とされるようになった｡

発生した

2

次火炎は坤皮が拓く.強い赤外線を放射するとともに.火炎の内払及び周辺の分子をイオン化するなど,租々の好事疎となっている｡本研究は.

2

次火炎の抑制方法について実験的に検討を行なったものである｡

2.

供境地逝苑の特性

2.1

推遡茶の租成

Table

lに夷鼓に用いた推進薬の化学的執成を示す｡

推進薬は.

YI‑Nl

及びこれに萌酸カリウム

(KNO 3)

を

4%

添加した

YトKN

.硫酸カリウム

(K2SO‑)

を

4%

添加した

YH(S

,並びに燃焼火炎温度の高い

Yト N2

及びこれに

KN0

3を

2%

添加した

YZ‑N3

の

5

範類を用いた｡なお,これらの推進薬は日本油脂 ( 樵) によって妖作された｡

昭和5 6年l q月

14

日受理

● 防術庁技術研究本部

前3

研究所

〒1

9 0立川市栄町

1‑2‑10

TEL

0425‑24‑2411

+ 'E ] 産自助柵宇宙航空事案部

〒

16

7東京市杉並区批井

315‑I

TE

L03‑390‑lilt

T8ble1 PrDPel18nlformulationsusedfor dlisstudy.

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4.0(K.SO.)

0000

00■ヽ一亡一一〇iO0t一l■一'̲■一'●■JIZ■一

‑

▼

2.2

燃焼逆生離

Fig.

1にストランド粕片による触速度と圧力の朋係を示す

｡Yl‑Nl

は燃焼低嫌を含んだ' 推進薬 T･あり.団のようにプラトー特性を示しているが

,YI‑K N

及び

Y1‑KS

は

KNO 3,KヨSO

lの添加によってこの特性が抑制されている.また

.YトN2

及び

Yl‑N3

は払娩触媒を含んでいないものT･あり,燃旋適齢ま直扱的に変化するとともに.

YトNl

に比べて圧力相鉄の大きい推進薬である｡

2.3

理姶燃焼性能

2

次火炎の発生に大きく彫呼を及ぼす要田の把握及び添加した

KNO3,KISO

lの彫轡を求めるために.

熊沢推進AJ こついて理酸性娩低位を肝辞した｡結果を亜理して

Fig.2

から

Fig.5

に示す｡針弁結果から.秩妖推進薬について以下のことがいえる｡

t l

)

/ズル出口における燃焼ガスの温度及び速度は.

′*ル開口比に大きく好守されている｡

(2IKN0

3や

N9SO

lの添加は.燃焼ガスの温度.逮度.ガス組成にほとんど彫野を及ぼしていない｡

(3)

燃焼火炎温度は

,Yl‑Nl

経過薬T･2 (

^伽 ●K.Yl‑

N2

推進薬で

29

6

0oK

と約

10

0 0

℃

の温度差がある｡

‑ 366‑

工兵火薬協会蕗

(2)

oLr70752tll

︻

uu SJN N]

J.u

妄

JgNI

N

tlnt)

20 30 5

0 70 100 150 PRESS

URE.P lATH]

Fig.1 Bumingrateolthepropdhntsu

sedforthisstudy.20001500︻N]

BLtutnlVtJ3JNulSV9︻uuSJLd]Bn.^11301u>SV9 135710NOZZL EAREAEXPANSIONRATIO,e

F i9.2CdctJhtcdex haustgasVelocityAnd

ga stempem LIJreAtthenodeeJ(i

t.

従って空気中に噴出される時のガスia度は

YトN2

推進薬の方がL高い伍を示して

(4)

燃焼ガス速度は

,YI‑N2

いる｡推進薬の方

が, 高い位を示している｡

(5)

轍晩ガス中に占める主な来燃焼成分である

CO及

びHIの制合は

.YI‑N

l経過薬の方が高い俵を示し

ている｡

3.

実験の方法

3

21 0.

0●

O.

NO I L U

V

t

J Lu 1 0

N 1 10NDZZL 3 57

EAREAEXPANSIONRATIO.c Fig.3 CAIculale

(3)

540.0. 320.0.oNOH1UV

t

lhU10

W

Y

l

‑N2

Col

P RE SSUREE C O E 8 0ATM

ntO tlz

一

N1

1

3

5 7 10

NO ZZ LEARE AEX P A

N Sl 0NR ATI O.

E

Fig.5

C

dcuhtedcxh8uStg

asCOmpOSition BtthentIZZlccxilEorYI‑N2PrOPCl

‑ IJ

)

n

t .

PRES. P工CK‑t l P

Fig.6 SchemAticoLmckctnotcr

AndALLcr‑ buming

flame.

l l/ 珍 ,5 0コ†/秒で投影し発生した2次火炎の状銀を紀砕する

｡2次火炎の形状

･寸法を正砲に求めるため . 他能前に1

0cm

を中位として番先日状に基中線を入れた較正板を両カメラで投影しておき . 写Ft解析時の基砂とした

.解析はノズル出口と基準点とし.

2

次火炎の発生点までの軽取をL s,終了点までの軽擬を L cとして行なった｡燃焼時のF'ケ･ J ト

モータ内圧は劫盃計タイプの圧力t='･/クア･J7'を用いて荊定し,億

戊オシt)グラフにより記鼓した｡供拭推進薬は内

札6

光空で片輯面内面燃焼としノズルスE,‑ト直径

8mm,

燃焼圧カ

80Alm

とした｡

4.

英験結果

4.1

ノズル粥日比の効果

を変化させた場

F i8.7はYトN

^{l推進非を用い} . ノズル開口比(E)

合

(4)

て大きくなる併向を示している｡また

L

cについてみると逆に小さくなる便向を示している｡

Fig.8

は. ノ*ル縄日比 Eと

Ls.Le

の関係を示したものである｡本来負条件において

l土E=1.8

以下T･

は

2

次火炎が発生し.

E=2.3

では発生していない｡

e=1.8

までにおいでは Eの増加にほは比例して Ls が増大しているが. Eがこれ以上の伍になると急敦にその効果が現われ

E‑2.3

では

2

次火炎の発生はみられない｡これは

Fig.2

に示した計井結果からすると.

燃焼 H六の阻庇及び速度に関係するものと考えられる｡

ノズル出口における高温の燃焼ガス中には押中火して

2

次火炎を発生するに必寧な軸を含んでおちず.その食用田の空気との拡散によって着火が可能となる｡

再中火するに必重な空包との拡散時岡は/ズI レの形状によって大きく変化することはないと考えられることから. ■が小さい場合にはガス速度

(Ug)

が小さいために

Ls

が小さくなり

,

Eが大きい場合には

Ug

が大きいために

Ls

が大きくなるものと考えられる｡また

,

Cが大きくなるにしたがってガスの阻庇が低下するためにしだいに再着火が田桂となり. Eがある価以上になると

2

次火炎が発生しなくなるものと考えられる｡

[N

U︼31.S1411X)ulZZO

N

Nt)

だ u U N

VISIQ 0050I

1 2 3 4 5

NOZZLEAREAE

X

P仙SIt刑RAT

I

O. c

Fig.9 EuectoEnozzleaTCAaPn8'ton

mtioonaLtqbumingnameForY IIN2pmpelhnt.

Fig.9

は.

YI‑N2

推進#について同様に ′*ル押口比を射ヒさせた場合の Cと

Ls.L･

C の関係を示したものである .L s ,L Cの変化は

YI‑Nl

の場合に比べて規苛ではないが. Eが大きくなるにしたが･って

Ls

が大きくなり.逆に L e が小さくなる僻向を示している｡

本来故条件の範田では.いずれの場合においても2 次火炎が発生した｡これは

YI‑N2

の燃焼温度が

.YトNl

に比べて高く, したがって噴出する燃焼ガスの温度も高いことによるものと考えられる｡

以上の集魚結果から. IR ' ル開口比は

2

次火炎の発生に影響を及ぼす瓜重な鍵田‑ < ･あるといえる｡ところが. /ズ, I , 開口比は放適性位を得るために設計段階で決定されることや.

Yl‑N2

推進薬での共敬にみられるように梅焼温度の高い推進矧こは十分な対応ができないことなどを考慮すれば. /ズル開口比のみによって

2

次火炎の抑制に対処するには限界があるといえる｡

4.2

カリウム塩の効果

まず.チムニー型ストランド. ( ‑十を用いて推進薬の撚娩状態を租察し.添加したカリウム盤が搬状蝕に及ぼす影響について検附した.

1500

【こ‑

rt■■1

菖1000

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I

勇

A :

LAJ

L=

500

0 2 4 6

DlSTANCE

(5)

1031

︻重︼P1

4H 19 N

31uNDZ)空白

4 71P0RESSU2R0E 50 10O

.P【ATM】

Fj9.llDarkzonelenOhvspr髄 ureOEbase

P

r

O ‑

pcll8ntAndpot舶Sium 88

lLaddedpropeJ‑ hnts

.

Fig.12 SchezzuticoEp

ropclhnltostudy theeqectoEpotassium sdt

Ad‑

dilives.

陶係

e示したもので, カー )ウム盤の添加によって

Ld

は小さくなっており‥ 同様にダークゾー

ンでの反応が促進されていることを示している｡また,燃焼

状態を机瑞するとカリウム盤を添加した推迎#において

も坪炎周 (フレーム. /‑ ン)を形成している｡これらの

ことからすると.カリウム盤の効典は推進薬の他姓反応を促進する

が.推進薬国有の燃焼火炎を抑制する効果はもっていないものと考えられ

る｡

次に.t }ケ･ /トモータを用いた夷験によってカリウム盤の効果についても検討した｡カl )ウム盤の含有丘を変化させるために

,Fig.12

に

示すような推進薬の構成と

LYトNl

と

Yl‑KN (YI‑KS)

の非長比を変えて爽放

し1 =.

Fig.131まYI‑Nl

と

YI‑KN

を用いた英

掛こおいて発生じた

2

次火炎の状他を示したt)のであ

Fig.13 uming爪ame.︻N

)] 3

.S1. AEterbEEEccloEpotassitJm

姐

Itadditionon

I

‑ 己

ul Z

Z O N 吉 E

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3 N V I S t

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○○ ○ ヽ)REGlCn ODEt■●

○ F ○ ○ 81糊I▲o::LLte

LAMEREGlCtJ

… ▲

▲▲ ▲ 綜EnFUU▲▲任A fGtCTl t

〇･ 6

0.7 0.a 0.9 1

.0 1.1 1.2 EZJO' C伽 cfNTAA

Tl伽,【‡】 0.2S 0̲3 0.35 0.4

0.45

K C O

N【

E N

TRm O

N.l t】

Fig.14 EuectolpotzLSSiutn

nib Le(KNO B)

onaLtqb

urninghJne.

る｡上から蛾に

,KNO･

0

.

餌%.0 . 85 %.

(6)

!oM〜oo

︻N3]31.S1.11nu17ZON

吉tJJ

73NV玩tC

･ "o"KT .〜 ^{P c}Dt J 8 州^.^{8 0}^{A TH}

○ ○ 一¹ ¹

A: L s

○

○ ^○^{: k}

FLANfREGⅠCN !N_l

O

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N O N

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0刈

0 . 6

0. 7

0.8

0 . 9 E ‑ S

O.C

O N

C

ENTRATION.【 t 】

0.2 0

. 2 5

0. 3

0.35 0.4

K C

O M

^C^ENT RAT

ION.

【

t

】

0●45 Fig.15 ElEcctorpobssium s

ulEAL

c

(K,SO.) onALtcrbum

inglhme.

れた｡

Fig.14

は

KN0

8 の含有

串とL s . Le の関係を示したもので.

Fig.15

は同株

の開銀を

KIS

O一の場合について示したものである｡

回のように

KN0

3 の場合には

1.1

%以上

K)SO

lの

場合には

0.8%

以上において

2

次火炎の発生が務められ

ない｡ここT･カ l Jウム丑に射日してみると

.KNO

3

1.1

%及び

KISOtO.8%

はそれぞれカリウム

0.･13%

及

び

0.36%

に対応している｡

したがって.ほぼ同点

のカリウムによって良好な

2次

火炎抑制効果を示すものと

考えられる｡また.

KN03

を

2%

添加した

Yl‑

N3

について央故を行なった｡

E=1の助合においでは2

次火炎が発生したが.E=4 の条件{･は

2

次火炎の発生

は界められなかった

｡Yl‑ N

l よりも約 1 0 00℃ 燃焼

火炎温度の高

いYI‑N

3推進毒掛こおいでも.カ l )ウム盤が2 次火炎の抑制に有効に作用することが

軸路された｡

5

これまでの爽故特集 . * *

から.カリウム盤は推進燕固有の燃焼火炎の発生に

は脚を及ぼさないが.燃焼ガスがノ*ルを出た以降においでは有効な火炎抑制

作用を示すことがわかった｡

Fig.16

は

YトNl

と

YI‑

K

S

を

用いた乗取における

K' S

O.の含有率と

Ls

の

陶係について辞掛こ示したもの T･ある

｡KIS

O

10.5‑0.

6%

においてはは( f直点的に

Ls

が増加し安定した

2

次火炎となっている｡その後

2

次火炎がなくなる

0.

8%

までの屯田においては,ば

らつきが生じ. ており. 不安定な 2 次火炎となっている

帥仙刃細100︻NU︼S

1 41

‑≡∪1ZZOtJ吉だUU葺iStd糊料EjEH ー■●

■LU

o t

lJ

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●

千

.

●

0.5

0.6 0.7 0.a L'SO'CCNCZNTRATION.︻I︼︻uusM]

PI

.

ZN

'■

‑

00 F

A

n34NO

TA ‑

N9[■一4

'一

0 0 0 Fig.16 EuccloEpotzL8Siun 弧ltonipi一iorL

dchytine.

那.

Ls

が増加する併向を示している｡

カリウムの作用は火

炎発生点までの

掩

蔽を増大すること,即ち着火ま{･の

時間的遅れを生じさせることと考えられる｡燃焼ガスが /

*ル色t L I た以降野火までに要する時間

(

7袖は.ノズル出口での

dス故

速くUg)

と

Ls

から

714‑Ls/Ug

として求められること

になる｡理臨折井の括典からすれば.本来敦における

Ug

は

916m/8e

C である｡上式によって求められた

7

1 4を

F

ig.16

校軸右偶に示した｡

カリウムを含まない場合の

7

V

は

0.lms

c cT･あるのに対

し,2

次火炎の発生が

なくなる付近における

714は

約

0.5TTIS

∝ となって

いる. したがってカリウムの作用は, /*ルを出た在稜の燃焼ガスに作用して帝火遅れを生じさせて

いるといえる｡

6.2

次火炎の抑制方法冶鎗

について5 唖塀の推油井を用いて実験的に槙附し.以下

に示す群項が明らかとなった｡

fl)

/*ル開口比

(E

) を大きくすると

2

次

火炎f iJ J ､さくなる｡

t 2 I 推進薬にカl Jウム

を添加すると

2

次火卿

ま

小さくなり

,YI‑N

1推進

薬においては e=1 のときカリウム畳が

約0.

4%

になると発生しなくなる｡

(3)

添加したカリウム

盤は,燃焼ガスが /*ルを出た在稜の空気中の鼓索

と拡散火炎を生成する繊合に作用し,苛火選れ時間を増大させることによって

2

次

火炎を胡】制している｡

K叫y8K8yaku.Vol.42.N0.6

(7)

lnhibitionofAfterburningofSolidPropelJantRocket byYukihiroIWAO書,Nami nosukeKUBOTA事,IchiroAOKI◆*

TakzLShiFURUTANI'+andMasayukiMURAMATSU+■

Afterburningofsolidpropellantrocketderiycsvariousproblemsbecauseofits high temperature. Experimentsh8YebeenpcrEormedtostudytheeffectoEnozzle con丘p rationandpotassium saltadditiononaLterbumingflame, using two basic double‑basepropellants. Wh iletheinhibitingeLLectofnoヱZ:leⁱ^LreaeXpanSionratio whichwillcausetheexhaustgastCm'peraturedecreaseatnOZalcexitislimitedin towereJlergyprOpellm

t

s,remarkableeEEectofpotassium salt additionisobserved cven､iJlhigherenergypropellaJltS.

A n

analyticalstudyofaEterburningFlamestrtIC‑ ttlreleadstotheFollowingconclusion:thedominaJltinhibiting actionofpotassium saltistodelaythespontaneousignitionoEexhaust

g

aSmixedwith air.

(+ThirdResearchCenter,TechnicalResearch皮 DevelopmentInstitute

,

JapanDefenseAgency,1‑2‑10Sak

a

e,TaChikawa.Tokyo190,Japan.

叫Aeronautical&SpaceDcvision,･NissanMotorCo.,Ltd,3‑

ら

llMomoi

,

Suginami ,Tokyo167,Japan.)

‑372‑

固 体 ロ ケ ッ ト 2 次 火 炎 の 抑 制