Gl yc i dyl az i dePo l yme r( GAP)

(1)

技術報告

日TJMlHlHllllllllullH1111

燃料過多推進薬の燃焼速度特性 (第

2

報)

駒井巌■,内川俊彦暮,加藤一成●

Gl yc i dyl az i dePo l yme r( GAP)

日はよく知られた高エネルギポリマで.燃料過多推進薬の主原料として用いることができる2)｡本研究では

GA

Pを主成分とした燃料過多推進薬の燃焼速度特性をストランドバーナによって評価した｡燃焼速度は少量の過塩素酸アンモニウム

( AP)

を添加することによって低下した

｡A

Pとともに鉄化合物を添加した場合は,圧力が比較的低い領域で燃焼速度が高くなった｡

A

Pの粒子径の効果について就験した結果,燃焼速度調整剤が効果的である低圧領域では

,A

Pの粒子径が小さいほうが,燃焼速度は高かった｡したがって,鉄化合物は

A

Pの分解を促進することによって燃焼速度を高めると考えられる

｡GA

P系燃料過多推進薬に

A

Pと鉄化合物を添加すると,低圧領域の燃焼速度が高くなった結果,燃焼速度の圧力指数が小さくなった｡また,燃焼速度の温度感度も′トさ

くなった｡

1.緒言

空気吸込式推進システムに使用される固体燃料は自立燃焼性の有無によって

2

種類に大別する事ができ, 自立燃焼性を有するものはその燃焼特性が推進薬に似ていることと組成成分が燃料過多であることのために燃料過多推進薬と呼ばれる｡前報31では推進薬のバイ

ンダ成分として広く使われている

Hydr o x yトt er m i ‑ nat e dpo l y but adi e ne( HTPB)

を主成分としたものについて評価を行った｡本報では

Gl yc i dyladdePo l y‑

me r( GAP)

を主成分とした燃料過多推進藩についての報告を行う｡

GA

Pは側鎖にアジドメチル基を有するよく知られた高エネルギポリマであり,分解する際にアジド基が多量の熱を発生するために生成エンタルピは他の一般的なポリマよりも高い｡本報で使用した燃料過多推進薬の主成分は,末端に水酸基を有する

GA

Pをイソシアネートで硬化させたものである

｡GA

Pは生成エンタルピが高いために酸化剤を付与せずとも発熱分解する｡また

.GA

Pの主軌ま炭化水素で構成されているため,分解生成物は可燃成分を相当な丑を含んでいる｡このように

,GA

Pは空気吸込み式推進システムに用いられる燃料過多推進薬に求められる二つの特性を有する｡

GA

P系燃料過多推進薬は燃焼速度の圧力指数およ

2 0 0 0

年

2

月

1

日受理

●日本油脂 (株)愛知中英所武豊工場研究開発部

〒

4 7 0 ‑ 2 3 9 8

愛知県知多耶武豊町字北小松谷

61 ‑1 TEL0 5 6 9 ‑ 7 2 ‑1 9 5 4

F AXO 5 6 9 1 7 3 1 7 3 7 6

び温度感度が高い特性を有する41が,本報ではこの燃焼速度特性を変更するために穐々の検討を行った｡

2 .

理論性能

GAP

系燃料過多の理論性能を計芥した｡この計芽で使われた燃料過多推進薬は水酸基を

4

個有する

GA

Pを

he x ame t hy l ened i i 8

0

C ya

n

at e( HD

I)で硬化させたものである｡計欝には

Go r do n

らによる化学平衡計算プログラム･S)を使用し

,GAPI O O %

および

GAP9 0

%+AP1 0 %

の

2

種類の組成の燃料過多推進薬について行った｡ここでは,空気と燃料の混合を仮定し,各混合比における燃焼温度および比推力を計昇した｡比推力は燃料のみの消費丑に対する値とした｡よどみ状態での空気のエンタルピは飛行速度と飛行高度によって変化する｡本計井で仮定した飛行条件は,速度マッハ

2

,高度海面上である｡

計算結果を

Fi g . 1

に示す

｡GAP1 0 0 %

では,空気の燃料に対する重畳比(f)が 5付近で燃焼温度 (Tr)が最大となる. したがって,この付近の混合比が丑論比である｡比推力(Ig)は右上がりの傾向を示しており,この点ではEが高い条件.つまり空気過多のほうが運用条件として有利であると言える｡酸化剤として作用する

A

Pを加えると,燃焼温度が最大となる fの値は若干小さくなる｡この場合,空気過多の領域では燃焼温度は低下する｡その結見 L,も低下する｡

〜‑2 0

において

GAP1 0 0%

のしはおよそ

91 0 8

で

,T

rは約

1 3 0 0 K

であった

｡A

Pを

1 0%

添加した場合もは

8 5 0 8

に低下し,

T

rも

1 2 0 0 K

に低下した｡

Ka y a k uGa k k a i s h i . Vo ) . 61 .No. 5 .2 0 0 0 ‑237‑

(2)

800

(

J

⁾

l

s

t x L

^u

a

^t

t LI

Btr 50

!u

J n

的

6 00i

< ̲

4 00

200 A

0 5 10 1 5 20 25

E( ‑ )

Fi

g .1The o r e t i c alpe r f or manc eofGA

Pba8 edf ue l r

ic hpr o pe l l

a nt s

3

.チムニー型ストランド燃焼試

.

乗鞍

験器を使い圧

力0. 2‑

1 2 MPa

の範囲で燃焼速度を

測定した｡燃焼器の加圧には窒素ガスを使用した｡し

たがって,本耗験では理論計芽で行った空気との混合

による燃焼は模擬していない｡試験片の大きさは

5 ×5×8

m で,側面には燃焼抑制剤を塗布した｡燃焼

速度の測定は統験片無いに

2 0 m

m間隔で挿入したヒュ

ーズワイヤによって行った｡温度感度を測定する試験

以外は燃料過多推進薬の初期

温度は

2 9 3 K

とした｡

本研究で評価した燃料過多推進薬

の組成を

Ta bl e1

に示す

｡GAPI O O %(

組成

A)

を基本組成とし,燃焼速度特性を変更することを目的と

し

1 0%

の

A

Pを加えた (細戯 )｡さらに

,A

Pの分解

を促進すると考えられる酸化鉄 (

Fe 2 08 )

と

bi 8( et hyl f er r oc en

y

l

)pr opane ( BEFP)

,の効果について調査

した(組成

C〜G)

｡また,

A

Pの粒子径の影響につい

ても調査を行った(組成

H)

｡組成

A

および

B

の理論性

能は前述したとおりであ

る｡また,組成

C〜H

の理論性能は酸化鉄若しくは

0. 5

1 5 10

50

Pr e s s u r e

(MPa)

Fi

B2Ef f e c tof APi nGAPba8 e df ue lr ic hpr o p

e l ･ l ant S

BEFP

の添加丑がさほ

ど多くないため組成

A

若しくは

B

でほぼ代表できると考え

られる0

4 .

結果

4.I Fi g .

A

2にGAPI

と考亨Pの影響

O 0 %

の燃

料過多推進薬 (組成

A)

と

AP

を

1 0 %

添加したもの(組成

B)

の燃焼速度を示す

ムA

Pを

1 0 %

加えることによっ

て燃焼速度は低下する｡燃焼速度の低下が比故的低

圧力領域でより大きかったために.燃焼速度の圧力指

数は高くなった｡組成

A

の圧力指数は

0 . 7

であったのに対し,

組成J3は

1 . 2

であった｡

A

Pを添加することに

よって,燃料過多推進薬の燃焼により発生する熱の総

量は大きくなるが,低圧領域においては

A

Pの拡散火

炎静は燃焼表面から遠い位置にあるのでそこで発生す

る熱の燃焼速度に対する寄与度は大きくない｡また

,A

Pの分解温度はGAPの分解温

Ta bl e1Fo r mu lat i o nさO ff ue lr

ic hpr o pe l hnt B Fo r mu lat i o n

iA B 4 i ‑ GAP

A

p(

1

3)

AP(

5 0 ) Fe2 03 BEFP

C

D

E F G 0

0 9 1 0 0 9

1 0 0 9 1 0 t 0 t

o o 0 0 9 1 0 0 4 f ‑ GAP: t e t r a‑

且I nC t i o nalGAP A

P

( 1 3 )

:1 3I LmC hS BAP AP( 5 0 ): 50ILm C I a8

8AP‑2 3

(3)

(gJ

u u

)

a lt !J

B.S

u J n

的

壬 Fom) ul a t i onA

三

^For ^mt ^J ⁾ ^a ^t ⁱ ^onC

二

0. 5 1

5

1 0 50

P r e s s u r e( MP a )

Fk3Eue c to f bur 血ngr a t emod i f ie r si nGAPbas e d f

ue lr ic hpr o pe l l ant s

度よりも高いために,少量の

A

Pを添加した場合は,

GAP

の燃焼表面で発生する熱量は減′トする｡さらに.

G

APの分解によって発生する熱の一部が

A

Pの粒子の加温に消費されるために低圧領域では燃焼速度が低下するものと考えられる｡一方.比牧的高圧領域では,拡散火炎帯からの熱のフィードバックが大きくなるために,燃焼速度の低下は小さくなったものと推定される｡

4 .2

燃焼速度網基剤の効果

本研究では燃焼速度調整剤(燃焼触媒)として酸化鉄と

BEFP

を使用した｡鉄化合物は

A

Pの分解温度を低下させ,その結果

,A

P系コンポジット推進薬の燃焼速度を高める効果があるために.燃焼触媒として使われている｡また,鉄化合物は

GA

Pの分解温度も低下させ,酸化鉄と

BEFP

を比較すると分解温度の低下は

BEFP

のほうが大きいと報告されている6

) ｡GA

Pに酸化鉄を添加した場合 (組成C)と

BEFP

を添加した場合 (組成D)の試験結果を

Fi g . 3

に示す｡いずれの場合も燃焼速度は組成

A

に較べ低下した｡燃焼速度低下の原因は

GA

Pの分解温度の低下による燃焼表面温度の低下と発熱に寄与しない燃焼速度調紫剤の添加による燃料過多推進薬の発熱丑の低下が考えられるが,定量的な評価は未だできていない｡

Fi8.4に

GAP/ A

Pに対する燃焼速度調整剤の効果を示す｡これを見ると,圧力

5MPa

以下の領域においては燃焼速度綱車剤によって燃焼速度が高められたことがよくわかる｡組成

E

および

G

はそれぞれ酸化鉄お

Ka y a k L JGa k k a i s h i .Vo l . 61 .No. 5 .20 0 0

(

sJutu)

a lt u

Bu!uJn的

0. 1 0 . 5 1 5 1 0

P r e s s u r e

(

M P a )

Fi

g . 4Ef f e c to fbu rni ngr at emod i 丘e r 8i nGAP / AP f

ue lr i c hpr o pe uant 8

よ

ぴBEFP

を

3%

ずつ添加した組成であるが, 燃焼速度の変化は

BEF

Pのほうが大きかった｡また

,B

EFP

の添加丑が 1%の場合(組成のも燃焼速度の変

化は組成

E

よりも大きかった｡したがって

.BEFP

の

効果は酸化鉄の効果と比較するとかなり大きいと考え

ることができる｡ただし,組成

F

と

G

の燃焼速度の差

はそれほど大きくないので,さらに多くの

BEFP

を添

加することによるさらなる燃焼速度の増大はあまり望

めないであろうと思わ

れる｡

ここで特筆すべき事項は

,A

Pと燃焼速度調整剤を組み合わせて使用することによって低圧領域に

おける燃焼速度の圧力指数がかなり小さくなっている

ことである｡これは,ここで使用した燃焼速度調整剤

が低圧領域でより効果的であるためであると思われる

E.F

および

G

の燃焼圧力

1MPa

以下における｡組成

圧力指数は

0 . 2

以下であ

った｡

燃焼速度調整剤を使用することによって,燃焼速度の変化の他に低圧の自立燃焼限界の変化が見ら

れた｡

燃焼速度調整剤を含まない組成

B

は燃焼圧力

lM Pa

未満ではストランド試敦では燃焼が持続せず,燃

焼速度の測定ができなかったO‑方,燃焼速度調整剤

を添加した組成軌

F

およ

び

Gでは

0 . 2 MPa

でも燃焼が

持続した｡これらの組成の自立燃焼限界は縫線していない

4 .3

APの粒子径｡の影響

燃焼速度調整剤の効果は

A

Pの粒子径に依存

Fi g. 5

に

BEF

Pの効果に対する

A

Pの粒子径の影する｡

響を示す｡ここでは,平均粒径

1 3〃m

と

5 0〝m

の

A

P

‑23

につい

(4)

(sJtn

ttZ

)aTtuB

u!

tunq

10 5

0. I 0. 5 1 5

1 0

P T C s s u r e( M P a )

Fi

B5Eqe c to fpar t i c l e8 i 之 eO f APi nGAP/ APf ue l r

ic hpr o pe l kntw it hBEFP

て就故を行った｡その結果,粒径の小さ

いAP

を使ったほうが燃焼速度が高い結果とな

った｡

先に述べたように,少丑の

A

Pを添加した場合は

AP

は燃焼表面で吸熱することによって燃焼速度を

低下させるので,粒径の小さい,つまり表面碑の大き

い

AP

を使用したほうが燃焼速度は低くなると考えら

れるD しかしながら

,A

Pの粒径が比故的大きい組成

H

が組成Fよりも燃焼速度が低かった｡この結果は

AP

と

BEFP

による燃焼速度の増大が

AP

の分解が

促進されることによって起こっていることを示して

BEFP

を添加することによって

A

Pの分解温度いる｡

が低下するために分解が促進され.その結果

A

Pの分

解生成物と

GA

Pの分解生成物の反応が燃焼表面近傍

で起こるようになるため燃焼速度が増加すると考えられる

4 .4

温 0 度感度

組成

B

の燃焼速度の温度依存性を

Fi g . 6

に示す｡試験は燃料過多推進薬の初期温度

2 2 8 K(

低温)

.2 9 3

K(

常温)および

3 3 3 K(

高温)に対して行った｡燃焼速

度調亜剤を添加していないこの組成では,燃焼速度変

換機は加えられませんでした｡先に述べたように.こ

の組成の常温での自立燃焼限界は

lMPa

程度であっ

たが.

低温では

2MPa

であった｡また,高温においては

1 MP

A以下の傾城で燃焼速度の圧力指数が負と

なる領域があり,耽験を行った圧力範囲内では自立燃

焼限界は細線できなかった｡燃焼圧力

2MPa

におけ

る燃焼

速度の温度感度(

O

.

)

は

Ll %/

℃であった｡

(

J)!lstuua

t 2 J

uBu

lnq

0. 1 0. 5 1 5 1 0

P r e s s u l e

(

MP a )

Fi

86Bu m i ngr at eo fGAP/ AP f

ue lr ic hpr o pe na J l t i ndi q

e r e ntt e mpe r at t L r e S

(g JtHt

H)Olt2JBu!uJntL

0 . 1 0. 5 1

(5)

5 .

まとめ

GA

Pと

A

Pを主原料とする燃料過多推進薬で燃焼速度調亜剤としての酸化鉄および

BEFP

の効果を評価した｡

GA

Pに少量の

A

Pを添加すると,燃焼速度は低下する｡これは

,A

Pの添加により燃焼表面で発生する熱は減少し,気相で発生する熱は増加するが,気相における発熱は特に試験を行った圧力商域では燃焼速度にほとんど寄与しないためであると考えられる｡

A

Pを含有する燃料過多推進薬に酸化鉄や

BEFP

を添加すると

,A

Pの分解が促進され特に低圧領域の燃焼速度が増大する｡その結果,燃焼速度の圧力指数が小さくなった｡また,酸化鉄や

BEFP

の添加によって燃焼速度の温度感度の低下も確認された｡

理臨計芽の結果

GA

P

にA

Pを添加することによって比推力の面では若干性能が低下することがわかる｡しかしながら本研究では

,A

Pと酸化鉄などの燃焼速度

調整剤を組み合わせることによって燃料過多推進薬の燃焼速度特性を変更することができるため,より幅広いシステム要求に対応できる可能性が示されたと言える｡

文献

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I waoKOMA J ' , T bs hi hi k n UCHI KAWA

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a J l d E m S hi geKATO●

Gl yc i dyladdepo l yme r( GAP)i 8aWe l lk n o wne ne r g e t i cmat er ial , wl 血hc anbeus e da8Ama j o r i ng r e d i ento ff ue lr ic hpr o pe ui L nt 8 .I nt hi sS t udybur I 血 gr at ec har z I C t e r iB t i c 80 fGAPba S e df ue lr ic h pr o pe uant 8We r ee Va luat e dw it h8 t r andt e 8 t S .Thel mm i ngmt eo fGAPba8 e df ue lr ic hpr o pe l l ant 8 wer er educ edw it h t headd i t ionaS mal lamo unto fammoni umpe r c hl ol at e( AP) .W h eni J ･ OnC O m･

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