丘E 加

固体 ラムジェッ ト用金属添加推進薬の燃焼

飯 田 華 美*

固体ラムジェッ ト用燃料 リッチ推進薬の低正続域での自立燃焼性.燃焼速度の増大,比推力 の増大を目的 として,現在 までに.高い燃焼熱を持つ金属粉を含む固体推進薬の研究が行われ てきた｡本研究では,高燃焼熱金属の一つであるチタンを添加 した燃料 ‑)･Jチなコンポジ･Jト 推進薬の燃焼速度特性について研究を行い.チタンの添加により低圧領域での自立燃焼性が向 上 し,牡鹿速度が増加することを兄いだ した｡ また,さらなる燃焼速度の梱大化を目的 として, 銀線入 り推進薬の焦旋速度特性についても検討 し,伝料 リ̲/チな推進薬においても酸化剤を位 適当畳を持つ推進薬と同様の銀線効果を拘ることができることが分か った｡

L は じめに

固体燃料 ラムジェッ ト (以後SFRと略記)は.樵 焼港内のEEI体燃料を大気中か ら燃坑掛 こ流入された圧 縮空気 とともに燃焼させる推進機関である｡そのため, 酸化剤成分丑の少ない燃料 リッチ推進薬を持つことが でき.多くの可換性ガスを空気 とともに燃焼 させるこ とに より高比推力を得ることができる｡ しか し,単に 転化刑成分を減らし,燃料成分を増加させただけの燃 料では,SFRに望まれ る低圧鎖域 (約1MPa以下) での自立低廉性を満足させることができない し.伝焼 速度が非常に小さくなる｡ これ らの間頓を解決 し.か つ.従来の燃料 リッチ推進薬に比べてさらなる比推力 増加を目的 として,現在 までに,ポ pソ,マグネシウ ム.アル ミニウムのような高い燃娩熱を持つ金属粉を 含む固体推進薬の研究が行われてきたll‑I). これ ら の金属 と並んでチタンも.単位体項当た りの高い燃焼 ,

Qを持つ梅エネルギ物質として知 られている与と 本研究では,酸化剤成分として過塩葉酸7I/そこウ A (以後APと略記),牲科成分 として末端水酸基ポ 1) ブタジエ ン (以枚HTPBと略記).金民燃料 としてチ タン (以後Tiと略記)か ら成 る燃料 lJ̲,チ推進薬の 理曲燃焼性能 と低焼速度特性について研究が契施され た｡ また,本推進薬のさらなる燃焼速度増加を目的 と して,推進薬中に銀線を埋め込んだ試料6)･71に対 し

1995年3月6日受理 '旭化成工業(秩)大分工場

〒870‑03大分県大分市大字里2620 でEL0975‑92‑2146

FAX0975‑92‑2263

ての燃焼速度特性についても研究が乗施された｡

2.理論燃焼性能

酸化剤成分 としてAP.燃料成分 としてHTPB.金 属燃料 としてTiか ら成 る燃料 リッチ推進薬の断熱火 炎温度 と比推力が.NASASP‑273により計算 された｡

HTPBの配合丘を30%と固定 したときの断熱火炎温 度Tfに関するTi含有

丘E 加

li,単位体硫当た りの燃焼魚が高い金属{･あるが.

Ti含有量が増加 して も断熱火炎温度はほ とん ど変わ らないことが分かる｡Fig.tは.同時に,空佐比Eが15,

7 ッ‑数Mが2の時の飛掲条件でのTi含有量に対す る密度比推力p･Ispも示 している｡密度比推力は,Ti

含有丑が増加す るにつれて リニアに増加することが分 かる｡ また.Fig.2に示す ように,比推力は,一定の

T

i含有量の場合,AP含有丑が減少するにつれて,あ るいは,HTPB含有丑が増加するにつれて増加する｡

3.実験方法

3.1推進薬組成

低 廉速 度特性 を調 べ るため に,6タイ プのTi/ HTPB/APコンポジット推進薬組成が用いられた｡本 研究に用いられた推進燕組成をTablelに示す｡推進 薬に用いられたAP^とTiの粒径は.それぞれ,直径で

10pm.20fJmであった｡

3.2燃焼速度測定

推進薬の燃焼速度特性は,窒素で加正 され るチム ニー型ス トラン ドバーナによって測定 された｡推進薬 試料の大きさは,断面が7^{出血.長さが}70^{皿であった｡}

燃焼速度を滑走するために.各々の筑料に3本の顔中 なフューズ線を埋め込み,各7I‑ズ線が切れる時間

‑124‑ _{火薬学会誌}

o000nV■Uo∧u0000l･qO896一｢'一'■t上llI‑‑())11+3書IYL))JM31UrlY1‑3LIYt)Y岩V

HTPB;3○X

I.l印

Tl

p芋o.6一LIPa Lt=2.Ol一ach

(atsea

level) e=15 l

10 20 30 105060

弓Enl(I) (MUUヽe

･S)

0 . V '

■ 70 60 5t1 40 30 2 0

0 10

モIPtXI

Fl'9.1 TfaJldp･IspasatLnCtionoEtheconcentra ･

tionofTi

(S )

d

ls

700

800

500

JOO0 10 2D 3D 40 50 60

モTi (X)

Fig.2Theeffect oftheconcent rationofTi ,ttTPB,

aJldAPonIspを脚定することにより.線燃焼速度を持た｡また,この系の推進薬の燃焼速度額域を拡大するために,各推進薬サンプルの像旋速度の方向に沿って,銀線を埋め込んだ｡銀線のサイズは,直径0･2tEdDとした ｡4.実験着果と考察4.1燃焼速度特性Tab一e 1Propellantformuhtions

PropellantHTPBIAP20 00000333.4一.且つA︼ 000000lhJ434320000

002342341HydroxylTermizntedPolybutadieJIetAm momiumPerchlorate(10FIt

nindiameter)3Titaniutn(20fLmindiameter)Fig.3は.推進薬の初期温度が常温(293K)の場合の燃焼圧力に対する燃焼速度特性を示す｡この燃焼速度特性の結果からいくつかの考察が挙げるれる｡まず一番目は,

各々の推進薬の自立燃焼性について訣漁す る｡Propellant6(以後Prop.6と略記)は,本研究で抑定された圧力領域{･は自立像境しなかった｡これは.Prop.6がHTPB及びTiと燃虎するための十分な血のAPを持っていなかったことによることは疑いない｡しかしながら.Prop.tはProp.2.Prop.Sと仕較して十分な丑のAPを含み.同様にProp.4はProp.5と比較して十分な丑のAPを含んでいるにも関わらず,Pro p.1とProp.4は,それぞれ0.6MPa,0･8

MPa以下の圧力鱗域で自立燃焼しなかった｡異なる比較を行うと,Prop.3とProp.4は同じ配合割合のHTPBとAPを含むが,相対的にTi含有丘の少ない

Prop. 4だけが低圧領域で自立燃焼しなかった｡この

ことから.低圧領域ではTiのAPとの反応が支配的になっていると考えられる｡次は,各推進薬の圧力指数について議 論する｡Prop.1‑3あるいはProp.4と

Prop.5を比較すると,

圧力指数はTi含有丑の 増加あ るいはAP含有丑の減少にともなって減少している｡また,同じ配合割合のHTPBとAPを含むProp.3とProp.4を比較すると.Ti含有丘の多いProp.3は.

Ti含有丑の少ないProp.4よりも圧力指数が大きい結果を示している｡これらの結果を言い換えると.Ti含有丑の多い推進燕の燃最

遠度は相対的に低圧領域で 高い傾向を示 し.十分なAPを持つ推進薬の燃焼速度 は相対的に高E

(SJECOLX)J.]1Y正gN1≡nq

ヶ^{一 一}･:.:‑: ･.:^I lI'

f f

:

‑

'

0.080.1 0.2 0.4 0.60.8 1 PFlESSuRE.p (那a)

2 J 6

Fig.3 Btm ingrateasahncdonofthebumingpressure

SOLJDPHASE 6ASPHASE

Fig.4 Aschematiccombustionmodelo

EaTi/HTPB/APpropellant Prop.4,Prop.5に比べてHTPB及びTiと反

応 し伝填 させ るAPの量を含んでいることに よることが容

易に 推卸 され る｡さて,Tiは630K付近で塩

素により,580K以上で酸 素により敢 しく酸化される

金属であることが知 られて いる｡一方,酸化剤であるAPは

630K付近で分解が始 ま り.その後HTPBの分解に より生成

されたガスとと もに払放 し反応す る｡従って.TiはAP

の分解に より 生成 した塩素や酸粟と直境に反応す るも

の と考えられ る｡以上の乗除結果 とTiの特性か

ら,Fig.4に示す よう なTi/HTPB/A

Pコンポジッ ト推進薬の燃焼 モデルを 推秦す る｡すなは

ち.第一段階 としてAPの分解に よ り生成 された塩素

及び酸素 とのTiの酸化反応が.樵 進薬の伝焼表面近傍で支配

的に起こ り,その後.第二 段階 としてHTPBとAPの

分併により生成 したガスの

拡散及び化学反応が燃焼表面近傍より離れた層で支配 的に起 こる｡ さらに.Tiの

APとの反応が低圧領域'‑C.

HTPBのAPとの反応が高圧領域

で支配的になること か ら.前者は扱者に比べて圧力感度が

低い ものと考え られる｡4.2銀繰入 tJ推進薬

の燃焼速度特性 Fig.5は.Prop.1

の銀線を埋め込んだ推進薬の銀 線方向の燃焼速度rT

と銀線な し推進薬の軽蔑速度roの 燃焼圧力に関する

特性を示す｡得られたrvは.明らか に燃焼速度の増大

を示 している｡ さらに,銀線入 り推 進薬は,銀線な し

推進薬で自立像焼 しなかった圧力領 域でも自立燃焼す るこ

とが分かった｡ しか し.この圧 力鶴城のrvの圧力指数は

それ より鵡い圧力領域のそれ と異なるものであった｡逆

を言えば.高圧領域では.

燃焼速度増大串ry/roが燃焼圧力の増加に ともなって

o1■UIV‑

tt

0.118.I l.7 0.1 l.60.1I 2 1 8 pJES一glL eOIPJ)

Fig.5 BurningratedlaraCteristicswi tJ)anembedd

edsilverwire ･

高に逮するに も関わ

らず,r'は坤炎屑 よりもず っと燃 焼襲面に近い反応同か

ら伝適 される熱丘に支配される.

4.2で述べた燃焼モデルと

久振田等の結果に基づ くと.

Tiの含有丑が少な く低圧領域

で 自立燃焼 しなか った 推進薬が銀線効果によって自立

像焼 した今回の籍架は, 取成表面近傍で起 こる

T

iの反応か らの熱丘が銀線に よって推進非

固

適 されたことによるこ とを示 している. また.高圧領域で

r./roが燃焼圧力 の柵加 とともに増大 した ことも

.HTPBのAPとの反 応駒が圧力の増加 とと

もに燃焼表面に近づ くため.そ の反応屑か ら伝適 される熱血:

が支配的になったことに よると考えることが,できる｡F

ig.6は.今回洞定 され た全ての推進窮の樵境圧 力 とr,/roの

関係を示す｡

Prop.1‑4を比較す ると,Fig

.1で示す ように これ らのTfははば等 い ,のに も関

わ らず.同一の正力に おけ るrT/roはTi含有丘の

多い ものほ ど高い傾向を示 している｡ この ことは,Tiの反応が軽焼表面近傍で 転ころとい う上述

の格境モデルを証明するものである｡

さらに.Fig

.5{･示 されたProp.)の結果 と同株に.

Prop.2‑4のr./roも燃焼圧力の増加に伴っ て増加 し たが,Prop.5だ

けが逆 の蛾向を示 したC これは, Prop.5が低

圧領域で反応するための十分な丑のTiを 含んでいる

が.高圧釣域でHTPBと反応する十分な丘

のAPを含

んでいなか った ことに よると考えられ,燃 税モデルを瓢

付けるものである｡

一般に,燃焼速度は燃焼袈面の熱バランスに関する 次の式によって与えられ

HIL.のけ

a1 PFtES2SURE. p (H4Pa) 6 8 Fig.7 TheratiooEtheheatfluKfeedbacktor

a Eqel‑ddtpropdhzItcontainingTiand

a typicalAP/HTPBcomp

ositepropelhJ)I から推進非の燃焼妾面への.Qのフィー ドバ ックが増大 す ることによるもので.燃料 l

Jッチ推進薬で もこの効 果は同等{.あることが分か

謝 った｡辞

本研究において.防衛庁技術研究本部前3研究 所久 飯田浪之介所矧 こ.抑

持*,御助言をいただきました｡

ここに厚 く御礼申 し上げます｡ l)L)' 文 献

mage,C.andSargent,W.,̀PropulsionSystem ConsiderationsforAdyancedBoronPow

dered RAJnjets,'AIAAPaper80‑1283,1980. 2)Mc

CleJldon,S.EりMiller,W.H..andHefty,C.

H.,■FuelSelectionCriteriaforJhctedR∝ket Ap･ phcation.'AIAAPaper80‑1120,1980.

3)Mi‑CotsmbtLnOus,M.tiono,KufMeⅥ山tal1i肌ZedPr.T.o.aPelnhJdKuttSfobtrDa,N., ucted Rockets,"AIAAPaper87‑1724,1987. 4)Kuwahara.T.,andKubota,N/RoleofBortInin

BurningRateA喝meJ)tationofAP Cbnposite PTt)Pell弧tS/Prop

eb ts,E叩losiycs,Pyrotech･ nics.14.1989.

5)

A.li血.̀CombustionofMetallizedPropel血 nts

for

SolidRamjets/Pr∝eeding90Ethe18thhter･

nadona

lPyroledhAicsSemiztar,pp.459‑470,1992. 6

)CaEmbyeeny.L H.aJldClick,R.L..‑hhenceoE ddedMetalFibersonSolidpropeuantBurTI･ iJ)gRate.'Jotm

aloLSpacecraftandRodkets, Vol.4.1967.

7)Ku

bota.N.,khida,M.,andFqjisawa,T.,̀Com･

buStionPr∝essesoEPropeuaJltSwithEmbedde d MetalWI'res,'AIAAJoumal,Vol.20,1982. 8)Kubota.N..AerospaceaJ)dMechaJ)icaISdences

ReportNo.108

CombustionofmetaHizedpropeHantsforsolidramjet byAkmideIIDA●

Fuel‑richpropelhntsneedtoself‑sustaincombustioninlowerpresstwerangeandto behigh inburningrateaJldspedb impulse.InordertoobtaiJISuchpropeuants,sadpro･

pellantscontainingmetalparticleswhichproducehigh heatoEcombtJStionhavebeen studied.h thissttldy,theburningratemeasurementsofcompositesolidpmpelhntcontaiJI･ ingtitanium whichisoneoEhigh energeticmetalswereconducted.Theexperimental resultsindicatethattitanium particlesimprovethecharacteristicofselト sustainingcom･

bustionevenin lowerpressurezange,andtheblm ingrateincreaseswithincreasingthe amountoftitanium.Furthermore,thehrningratemeasurementsoEpropelIantwithan embeddedsilverwirewerealsoconductedinordertoobtainaugmentedbtm ingrate.The resultindicatethateventhefuel‑richpropelhntcanbeequivalentintheratiooftheheat nu又transferredbackfrom thegasphasetothesolidphasealoTlgthesilverwi restothe rocketpropeuantcomposedoEstoichiometriCfue1‑0xidizerratio.

('OhitaPlant,Explosivesdivision,AsahiChemiCalIndustry,Co..Ltd.Sato2620, Ohita‑ski,Ohita870‑03,Japan)

KaY8kLJGakkais帆 VoI.56.No･3.1995 ‑)29‑