AN / Al / AP 系コンポジット推進薬の着火特性

研 究 韻 文

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AN / Al / AP 系コンポジット推進薬の着火特性

桑原卓 堆+,篠崎 昇 ̀

璃酸7 ./そこウム

( AN)

に過塩素酸7ンそこウム

( AP)

を混合 した時の燃焼違反特性,着 火特性を取得 した｡末端水酸基ポ lJブタジエ ン

( HTP8) 2

0wt.,%に

Al

を

2

0wt.%混合 しさらに 酸化初 として

AN/ AP

を合計

6 0

wt.%混合 した推進薬を用いた｡燃焼圧力

I MPa

においてAN系 コンポジッ ト推進率の燃焼速度は

1 . 2 m/

Sに対 してAP系 コンポジッ ト推進薬の燃焼速度は

4 . 0 也

/Sと

3. 5

倍増加 している｡圧

力I MPa.

照射エネルギー

6 0 0 W

の条件で.AN系 コ./.ポジサト 推進薬の着火選れ時間は約

4 6 0 m

8であるがAP系コ‑/･ポジヅト推進薬は

7. 5

nsと非常に小 さい｡

AN系 コl/ポジサト推進薬の懸火選九時間が長いのは主に化学的過れ時間が良いことに よる｡

AN系 コソ･ii‑}ヅト推進掛

こAP

を混合すると燃焼速度は一様に増加 し.着火遅れ時間は像鹿 速度の増加に基づき減少することが柑ら九た｡

t.揺 昔

柄

酸 7./モこサム (以降ANと喝)は組成中に‑T, ケンを含まないことか ら.魚公車用の酸化剤 として着 日されて きている｡AJqを酸化剤 として用いた

AN

系 コンポジット推進薬が試作され像焼特性がGR々の方法 で求められている｡従来の過塩素酸 7･/.tニウム (臥 降

AP

と時)系 コ./ポジッ ト推進燕 と同株.

AN

系 コ

.

/ポジット推進薬に金属を混合すると燃焼性能の向上 がはかれることか ら.

AN

系 コンポジット推進薬にAl を混合 した時の低焼特性及び

Al

の格焼効率に関す る 研究が進め られてきているl)

‑ 1

). 史に.

Al

が非常に 燃焼 しに くい ことか ら.

Al

にかえてマ グネシウムを 金属燃料 として用いる研究 も行われていが

) .AN

系 コンポジット推進薬は

AP

系 コ･/ポジ ット推進薬に比 較 して着火しに くいが,AN系 コンポジット推進薬の 着火に関する研究はほとん ど行われていな

い

^｡AN系

コン･ポジ ヶト推進薬の性能向上をはか るため

Al

を,

&.境効率の向上のため

AP

を混合 し

.CO

2レーザを用 いて着火特性を求めた｡

2 .

推適薬趨成

AN系 コ'/ポジット推進薬の凪収を

Ta bl e

lに示す｡

バインダには末端水酸基ポ lJ7'タジエ./ (以降

HTPB

と

臨)か.

金 炭 塵製に は

Al

を 用 い 混 合 免 は 生 血 里

九2 9 1 9 9

4年

3

月

2 4

日受理

'E]産自動年輪宇宙航空事業部 研究開発It:I/タ‑

〒

3 5 0‑1

1埼玉県川越市的場所町

21 ‑ 1 TEL O 4 9 2 T 3ト1 1 1 2

F

A

3 (0 4 9 2 ‑ 31 ‑l l 1 6

T8b l o 1 Co mp o s i t i o n so f AN

/

Al

/AP

pr o p

eu

a J I t S( wt . %) P r o p. HTPB

A

P

AN

1 2 0 6

Al

0 0 2 0 2 2 0 4 0 2 0 2 0 3 2 0 2 0 4 0

2 0 4 2 0 1 0 5 0 2 0 5 2 0 5 5 5 2 0

6 2 0 0 6

0 2 0 wt . %

と一定に した｡残 りの

6 0 wt . %

はAN

と

AP

であ る｡ANと

Al

のみ{･は

,Al

の爆焼効率が低いことか ら APを混合 し

,AP

の混合丑を

0.5,1 0.2 0.

4 0.6 0 wt･ %

と変えた

｡AP

の平均粒径は

4 0J l m

の ものを.

ANの粒径は

2 0‑3 5 0 f l m

の広い分散をも

つ ものを用い.

Al

3

の平均粒

. 径は2. 5 f

Jmである｡

実験方法

燃焼速度は釈科の大 きさ

7E E D X7血×7

0

tn{･チムニ ー型ス トラ･/ド.く‑ナを用いて

N

2ガス雰同気下で測 定 した｡推進薬の物性値は勲定数

滑走装置を用い.釈 料温齢

土2 9 3 K

で苅空雰囲気下で謝定 した

｡試料の大 きさは

41 0ロ ×3

cnの ものを用い,波

長

0. 7 f l m

のル ビー L,‑ザを用い.照射面にはカ

‑ボン塗料を蒔 く由 布 して実験 を行 った｡ ル ビー L,‑ザの出力は

6W

{･

5 0 0

JE

1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0

E

AN

.I F i g.1 Bu m ir L gr a t eC h a r a c t e r i s t i c s

o fAN/ AP p r o p e l hn t s .

た｡着火特性は推進茶飲料の大きさが

71 助×7

皿

×3

‑5

mの ものを武村台にセ ットし,上方から

C O

2レ ザ光を照射 し測定 した｡照射エ ネル ギ

ーは4 0 D ,5 0

ー

0 , 6 0 0 W

と変えた｡穿開免圧力は

1 MPa

であ り

.

N

2ガス で加正 した

｡

前火遁九時間は

g o / n o‑go

法を用い

て一 定の時間鼎射 して着火すれば照射時間をA

t

秒短

くし.

新火 Lfz:け九

は

A

t

秒照射時間を長 くした

｡A t

は着火遜

れ時 間 に よ り

lms〜50ms

の抵 用 で調 壊 した｡

g o / nolg

O法で求めた値 より

5 0 %

君火す る時間を 着火 過れ時間

T

i

g

と定敦 した｡ さらに誠面から分解

ガスの 発生す るまでの時間は影写文法を用いてmlJ起

C O

2レーザ光を照射 して表面温度

T

8の時間変 した｡

化を

K

熱 屯対を用いて測定 した｡熱花村は線

瞳1 0 0

p

mで棲点が 表面に接するように熱花村の両側におもりをつけて

抑 定 した｡

4 4 . . 1

乗畿括果及び考蕪息焼適度特性

燃焼圧力

l MPa

における燃焼速度 と

AP

の混合血 と の関係を

Fi g.

tに示す

｡A

Pの混合丘を増加すること{

･ 軽焼連夜は一様に増 加 している

｡AP

を含有 しない

A

N

系 コンポジッ ト推進薬の燃境速度は

1 . 2

亡

ヨ

/Sであ り.

AN

を含有 しな

いAP

系 コンポジッ ト推進藁の軽 焼連

取 土4 .

O

J n/

S

であ り.約

3 . 5

倍大きくなっている｡

A

N系 コンポ

ジット推進薬の伝焼速

皮

は非常に小 さい が

,AP

を混合すると燃焼速

度

は

増加 し偲境速度鶴城 の拡大がはかれることが得られた

4 . 2

物性価 ｡

推進薬の物性値の うち比熱

Cp

と熱伝尋串は 求めて

AP

の混合丘 との関係を

Fi g. 2

に示す｡ EAp

は剛 ヒ刑中 のAPの混合丘を. EANは

A

Nの混合丘を示 している｡)

l l AP

の混合丑を変えてもほは一

300 500 700 1000

工.I

F i g, 3 I pI i t i o nd e hyl i meo fAN

/ APp r o p e l 血t s .

ト推進薬において熱伝中卒は混合されている,:イt/1 に よって決定 され

ているが.比熱 土混合物の組成その もので決定 しているもの と考えられ る

｡

A

P系 コ./メ I

jプト推進薬の密度は

1 . 6 7 xl O

3 k

s

/

Elと

A

N系 コンポ ジ･Jト推進薬に比較 して

1 0%

大きい

ことから.(密度)

× (比熱)

はA

P系 コンポジ ブ

ト推進薬の方が

2 0 %

小 さい

｡AP

系 コンポジ ･,ト推進薬

は

AN

系 コ'/ポジプ ト推進薬に比較 して固相の温度上昇が容易

に行われる ものと考えられる｡

4 . 3

着火特性

照射エネルギ‑1と薪火遁九時間

r

i

g

との関係を

Fi g.

3

に示す

｡ AP

の含有丘が

O wt . %

の もの と

, 2 0. 4 0. 6 0 w

t･%の ものを示 した｡

E N

は酸化剤中の

AP

の混

合丘を

示 し

APが4 0 wt . %

の ものは

E A P=6 7%

に相 当 してい

2 0 4

0

EAP.

6 I 0 80 1 00 1 0 0 8 0 6 0 ^{40 2 0 0}

E

AN

.I

F i g. 4 Re l a t i o n s h i pb e t we e nt h ei pi t i o J )d e l a yd J n e a n dt hec o n c e n t r a t i o n so

EAP.

る

｡AP

系 コンポジ ッ ト推進非の

T i g

は照射エ ネルギ ーⅠが

4 0 0 W

で

1 3 ms

であるが

6 0 0

W

に増加す ると

7. 5 ms

に減少 し,Ⅰを増加す る

ことで急故に小さくな ってい る

｡E N=0 %

の

AN

系

コンポジッ ト推進鵜の

r i g

はⅠに 対 してほとん ど変化せず約

4 5 0 ms

である

｡

r i g

は

AP

の 混合血を少な くす ると息軌 こ増加 し

,AP

系 コン.ポジ

･Jト推進垂

500 400 300 200

o o o o 0 0 0 7 ■3 4 3 l∠ 1

suJ

'

671

2 3 4 5

7 10 Burning

rat e

. rr

v T ) / 8

F i g.5 Re ht i o n s h i pb e t we e nt heb t m

i n gr a t ea J l d 血ei g n i t i o n

d e l a yt i me ･

横速度及び着火選れ時間

は蜜来ガス雰囲気下の圧力l

MPa

で邦定 した億を用

いてお り.着火避九時間は照 射エネルギー

6 0 0 W

の時の値で

ある

｡Fi g.

1に示 した ように

AN

系 コンポジッ

ト推進薬に

AP

を混合 してい くと燃焼適齢 土一様に増

加 している｡着火避九時間

は

燃焼速度の増加とともに‑

掛 こ減少 し.燃焼速度

1 . 6

‑2.

1

ロ ロ /

Sにおいて君火遜れ時

間は

4 2‑3 8 ms

と着火遅 れ時間の減少は縫やかで

あ り.それ以上像境速度が増 加すると急敵に着火遅れ

時間は減少 している｡燃焼速 度の大きいものほど甘火遅れ時

間は短いことが拘られ た｡

4 . 5

物理的,化学的譜火過れ時間 彫写其法を用いて

.CO

lレーザ光を推進薬表面に照 射 してか ら表面 より分

解ガスの尭生するまでの時間

r p

を求めた｡ ここで表

面からガスが発生す ることは 気相においては反応性の

ガスが存在 していることにな る｡ このことから

r p

を

物理的着火遅れ時間 と定義 し た7).化学的野火遅れ時間

r

cll

r C=r l g T p

と定虫 した

｡r c

,TPと

e

APとの的係を

Fi g･ 6

に示す｡照

2 0 4

0 6 0 8 0 1

0 0

E A P .

I

1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0

E

^AN

.I

F i g.6 Ph y s i c a l a L n ddl e m i

c

a l血c t o r si nt h ei g n i t i o n

d e l a yt i me .

射エネルギ‑は

6 0 0 W

で

.E A

P

を増加するにつれて,TP は液少する偵向にある

｡A

N系 コ./ポジット推進薬の 叩が約

1 3 ms

であるのに比較

して

.

AP系コンポジット 推進薬の

r p

は約

5

msと

A

N系

コンポジット推進薬の l/

2

以下になっている.これ

は

1

つにはAP系コンポジヅ ト推進薬の (比熱)× (

密度)が

A

N系 コンポジット 推進薬に比較 し

て小さいためと考えられる｡

化学的過れ時間TCは,

APの混合丑を増加すると急 故に碑少 してお り.AP系

コ･/ポジット推進薬の場合 には

r p

に対 し

r

cは約

l/

2

と小さく.気相における反 応性が高いことが得られた｡

一方EANが

3 0 %

以上の推 進薬は

r

cが

r p

に比較 して

3

倍以上大 きくなってお り, 分解 した活性なガスが存

在 しながらも.気相における 反応速度が遅 く野火に到

る時間が長 くなっているもの と考えられる｡このように

,AN

を含有 したものは化 学的な着火遅れ時間が大きく,着火遅れ時間

T

i

g

が大

きくなることが得られた｡

4 . 6

推進茶額面の温度変化 表面の温度

( Ts )

と時間の

関係を求めて

Fi g. 7

に示 す

｡t

は照射時間であ り

Os

か

ら照射を開始 し

.E A P = 6 7 %

のとき

r

i

g

は

3 7 ms .E A P =0

%のとき

T i gは4 5 0 ms

である｡ ここで照射エネル

ギーは

6 0 0 W

,雰掃気の圧

Ka y a k uGa k k 8 i S hLVol ,55.No.3

1400 1200

1000 5 d 800

p

I

E

< 600 400

20

0

t.

JTIB

F i g.7 Sur f a c et e mp e r a t ur epr o f i l e sa ti pi t i o n.

力は

I MPa

である

｡AN

系 コ./ポ

ジヅト推進薬

( E A P=

0 %)

の

Ts

と

AP

を

4 0 wt

. 潔 ( f N=6 7 %)

混合 した推 進薬の表面温度は

時間 とともに一様に上昇 しているが.

A

Pを混合 した

推進薬のほ うが温旋上昇避妊は大 き

い ｡

熱電対の接点は推進

薬表面に接することから大部分が 気相に現れている｡ この

ため脚定温度は表面近傍の温 度に相当する

｡A

N系

コt/ポジ.,ト推進薬の場合表面 近傍の温度が

1 0

0 0 K

に連 してもレーザ光の照射を止め ると推進薬は定常燃焼に移

行 しない.すなわち着火 し ない｡表面から活性なガスが

発生 しなが らも気相での 反応が遅 く.着火に至らない もの と考え

5 . 括 輪

られる｡

(1)

AN

系 コ./ポジ ッ ト推進薬の着火選れ時間は

4 0 0‑6 0 0 W

の照射時に約

4 5 0 ms

と

AP

糸 コソポジ

･Jト推進薬の着火遅れ時間に比較 して約

4 0‑6 0

皆 と大 きく着火 し

に くい｡

(2)

A

N系 コンポジ ･,ト推進薬に

AP

を混合 す ると 軽焼速度は増加 し,それに伴い着火選れ時

間は一 様に減少 している｡

(3)

AN

系 コl/ポジ･,ト推進恥

こAP

を混合 してい くと,物理的な着火遅れ時間の変化は小さいが.

化学的な着火遅れ時間は急敵に減少 し着火遅れ時 間に大きく影響 している｡

( 4 ) AN

系 コl/･ポジ ッ ト

推進薬の表面近傍の温度は

1 0 0 0 K

以上に適 して

いなが ら気相での反応速度が 避いため着火に至らない｡

文 徹

1)宮内一夫.山崎隆久,桑原卓堆.久保田浪之介,

4 8. t A3 NPL

推進薬の低焼〝.工業火薬協会誌

,Vo L No.2 ,pp. 7 7‑8 4 .( 1 9 8 7 ) .

2 )H.To bi .

T.Sa it o h,K.Ho

r

i .K.No t o n o

,

a ndA.I wa ma,. Sy n

t

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P

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.p p. 7. 1 ‑7. 1 4,( 1 9 9 0 ) . 3 )N.Kub o

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tl

u a J Co n f e r e nc eO HCT .pp. 4 2 . I ‑4 2.

9 , ( 1 9 9

1).

4 )

桑原耳栓.篠崎昇,t硝安

/Al系 コンポ･'ジグト推 進薬の燃焼挽構.' エ薬火薬協会誌.

Vo l .5 3

,

No.

3,pp.

1

31 ‑1 3 6( 1 9 9 2 ) I 5 )M.Br e ws t e r .T.

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血

.a J l dA.Z s h

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A m mo ni u m Ni t r a

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Me c ha ni s m

'.

AI AAPa p e r91 ‑21 9 5

,( 1

991)･

6)桑原卓堆,

' RDX/

A

P系コンポジット推進薬の着 火及び伝焼特性J,工業火

薬協会誌

,Vo l . 5 2 ,No.

6 .pp. 3 8 3

‑3 8 9( 1 9 9

1).

7 )

桑原卓堆.久保田浪之介,

t RDX

系 コ･/ポジ ッ

I gni t i onchar ac t er i s t i csof AN / Al / APcomposi t epr opeH ant s byTa ku oKUWAHARA●a ndNo bo m SHI NOZAKI

■

Co mbus t i o na ndi gni t i o nc h a r a c t e r is t i c so f AN/ A l / APc o mpo s i t epr o pe l hnt swe r ei n･

v e s t i ga t e d,HTPB/ Al =2 0/ 2 0 w t . % i na upr o pe ua nt sa ndo x i di z e r so fA N/ AP we r e

60wt.

形. Bu r ni n gr a t eo E ANc o mpo s i t epr o pe hJ l ti s1 . 2 1 皿/ S . a n d t h a toE APc o mp o s i t epr o p e l hnt 4. 0 m/ sa t1MPab ei n g 3t i me sl a r ge r

tha

nt ha to fAN c o mp o s i t epr o pe ua nt .I gni t i o n d e l a yt i meo EANc o mp o s i t epr o pe l l a nti sa bo ut4 5 0 T nSa ndt ha to fAPc o mpo s i t epr o pe l l a J l t 7. 5 msa tI ‑6 0 0 W,pr e

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