GAP/PEG
プ レ ポ リ マ ー の 燃 焼 特 性○ 髙 砂 民 明 1， 和 田 豊 1， 内 田 雄 大 1， 小 池 寿 郎 1， 幡 野 慎 太 郎 1， 坂 野 文 菜 1， 川 端 洋 1， 小 田 達 也 2， 馬 場 開 一 2， 堀 恵 一 3，
1:千 葉 工 業 大 学 大 学 院 , 2:日 油 株 式 会 社 , 3:宇 宙 航 空 研 究 開 発 機 構
Combustion characteristics of polyethylene glycol and glycidyl azide Polymer mixture prepolymer
○
TamiakiTakasago
1, Yutaka Wada
1, Yuudai Uchida
1, Toshiro Koike
1, Shintarou Hatano
1, Ayana Banno
1, Yo Kawabata
1, Tatsuya Oda
3, Kaiichi Baba
3Keiichi Hori
41:Chiba Institute of Technology , 2:NOF C orporation, 3: Japan Aerospace Exploration Agency
概 要
液 体 ロ ケ ッ ト 燃 料 の 高 密 度 化 ， 高 エ ネ ル ギ ー 化 を 狙 い ，
Glycidyl Azido Polymer (GAP)
プ レ ポ リ マ の 液 体 燃 料 ロ ケ ッ ト へ の 適 用 を 試 み た ．GAP
は 周 囲 圧 力 が7
気 圧 以 上 で 連 鎖 的 な 自 己 発 熱 分 解 性 を 有 す る ．そ こ で ，安 全 な 運 用 の た め に は 自 燃 性 の 抑 制 が 必 要 で あ り ，こ こ で は ，GAP
と 相 溶 性 が 良 い 液 状Polyethylene Glycol (PEG)
を 添 加 し たGAP/PEG
液 体 混 合 燃 料 を 製 作 し た ． こ こ で は ，GAP / PEG
燃 料 の ス ト ラ ン ド 試 験 を 行 い ，線 燃 焼 速 度 測 定 と 温 度 場 測 定 よ り ，液 状PEG
の 添 加 量 を 増 や す と 燃 焼 速 度 が 抑 制 さ れ る こ と を 明 ら か と し た 他 ，GAP90 / PEG10
の 燃 料 に お い て は 燃 焼 速 度 がGAP
プ レ ポ リ マ よ り 速 い と い う 結 果 を 得 て ， そ の 原 因 を 考 察 し た ．記 号 の 説 明
&頭 文 字 /略 語
Glycidyl Azido Polymer(GAP) :グ リ シ ジ ア ジ ド ポ リ マ Polyethylene Glycol(PEG) :ポ リ エ チ レ ン グ リ コ ー ル Specific Impulse(Isp) :比 推 力
Density Specific Impulse(ρIsp) :密 度 比 推 力 Oxidizer/Fuel(O/F) :酸 燃 比
1.
研 究 背 景ゲ ル 化 さ れ た 燃 料 お よ び 酸 化 剤 は ， 液 体 推 進 剤 に 比 べ て 漏 れ に く い ， 揮 発 性 が 低 い ， 燃 料 の ク ラ ッ ク が 起 き な い ， 長 期 保 存 能 力 が 優 れ て い る ， 偶 発 的 流 出 が 起 き て も ゲ ル 化 さ れ た 推 進 薬 は 燃 料 と 酸 化 剤 が 混 ざ り に く く 爆 発 す る 恐 れ が 液 体 推 進 剤 よ り 低 い と い う 長 所 を 有 す る ． ま た 毒 性 の あ る 液 体 を 用 い た 場 合 ， ゲ ル 化 推 進 剤 は 液 体 推 進 剤 に 比 べ て 揮 発 性 が 低 い の で 有 毒 ガ ス が 生 じ に く い ． 以 上 よ り 固 体 ロ ケ ッ ト と 液 体 ロ ケ ッ ト 両 方 の 利 点 を 有 し た ゲ ル ロ ケ ッ ト エ ン ジ ン が 期 待 さ れ て い る が ， 液 体 ロ ケ ッ ト と 同 様 ， 固 体 ロ ケ ッ ト に 比 べ て 推 進 剤 が 低 密 度 で あ る 欠 点 を 持 つ 1 )． ま た ， ゲ ル 推 進 剤 は 同 じ 液 体 状 態 の 燃 料 よ り 低 燃 焼 速 度 で あ る こ と が 判 明 し て い る 1 )． そ れ を 改 善 す る た め に イ ン ジ ェ ク タ か ら ゲ ル 化 構 造 を せ ん 断 力
に よ り 破 壊 し ， 微 細 化 す る 必 要 が あ る ． ま た ， ゲ ル 化 推 進 剤 は 液 体 推 進 剤 に 比 べ て 粘 度 が 高 い た め ， ガ ス ジ ェ ネ レ ー タ や 高 圧 ガ ス を 利 用 し た 高 圧 力 供 給 シ ス テ ム や ， ゲ ル 化 推 進 剤 を イ ン ジ ェ ク タ に 押 し 出 す ピ ス ト ン 機 構 等 が 必 要 に な る 2 )． そ こ で ， ゲ ル 化 推 進 剤 よ り 流 動 性 が 高 く ， 高 密 度 ・ 高 エ ネ ル ギ ー な 推 進 剤 を 用 い る こ と で ， 推 進 剤 の 供 給 圧 を 低 下 さ せ つ つ ， ゲ ル 化 推 進 剤 の メ リ ッ ト を 有 す る ロ ケ ッ ト シ ス テ ム の 実 現 が 可 能 で あ る と 考 え た ． 本 研 究 で は ， こ れ ら 条 件 を 持 つ 推 進 剤 と し て 自 己 発 熱 分 解 特 性 に よ り 燃 焼 性 の 向 上 が 見 込 ま れ る
GAP
に 注 目 し た ． し か し ，GAP
単 体 で は ， タ ン ク 内 に て 連 続 的 な 自 己 発 熱 分 解 が 生 じ て タ ン ク が 破 裂 さ れ る 恐 れ が あ る ． そ こ で 本 研 究 で はGAP
の 自 己 発 熱 分 解 特 性 を 抑 制 す る 働 き を 有 す るPEG
を 添 加 し たGAP/PEG
混 合This document is provided by JAXA.
燃 料 を 提 案 す る ． し か し ，
GAP/PEG
の 詳 細 な 燃 焼 メ カ ニ ズ ム 不 明 で あ り ， そ の 燃 焼 メ カ ニ ズ ム の 解 明 を 試 み る た め 基 礎 的 な 燃 焼 実 験 を 実 施 し 燃 焼 モ デ ル に つ い て 検 討 を 行 っ た ．2.
先 行 研 究堀 ら に よ る 硬 化 さ せ た
GAP
単 体 の 燃 料(curedGAP)
及 び 硬 化 さ せ たGAP / PEG
の 燃 焼 速 度 測 定 試 験 で は ，PEG
添 加 量 が40 wt
％ ま で は 自 己 発 熱 分 解 特 性 を 有 し つ つ 燃 焼 速 度 が 低 下 し ，PEG
が50 wt%
以 上 で は 非 自 燃 性 に な っ た 3 )．PEG
単 体 はHTPB
よ り も 高 密 度 で あ り ， 酸 化 剤 に ガ ス 酸 素 を 用 い たGAP100, GAP60 / PEG40, GAP20/PEG80, PEG100
とHTPB100
で の 性 能 計 算 で は ，ρIsp
はGAP
単 体 ，GAP/PEG
混 合 ，PEG
単 体 と も にHTPB
よ り 高 い こ と が 示 さ れ た ． ま たGAP
は 分 子 構 造 式 内 に 酸 素 を 有 す る た め ，HTPB
の 最 適O/F
が 約2.3
に 対 し てGAP
の 最 適O/F
は0.93
か ら0.98
程 度 と 酸 化 剤 搭 載 量 を 約 半 分 に 軽 減 可 能 で あ る 4 )．3.
研 究 目 的高 密 度 か つ 高 エ ネ ル ギ ー な
GAP
プ レ ポ リ マ を 用 い た 高 粘 度 液 体 燃 料 ロ ケ ッ ト の 実 現 を 最 終 目 標 と し ，uncuredGAP
燃 料 に 液 状PEG
を 混 ぜ たGAP/PEG
の 燃 焼 メ カ ニ ズ ム の 解 明 を 目 的 と す る ． 本 研 究 で は ま ずGAP/PEG
の 燃 焼 状 況 を 調 査 す る た め ， 自 己 発 熱 分 解 特 性 を 有 す る 割 合 で 調 整 さ れ たGAP/PEG
の 線 燃 焼 速 度 の 調 査 と 温 度 場 計 測 を 実 施 し た ．4. GAP/PEG
燃 料 作 成PEG
の 分 子 量 を#200,#600
と2
種 類 用 意 し ，GAP
と の 相 溶 性 を24 h,48 h
と 経 過 観 察 し た と こ ろ ，#600
は24 h
で 相 分 離 を 確 認 し た ． 本 研 究 で は 相 溶 性 に 優 れ た 分 子 量#200
のPEG
を 用 い た ．5.
実 験 手 法用 意 し た サ ン プ ル は
uncuredGAP, GAP90/PEG10,GAP70/PEG30 ,
GAP50/PEG50
で あ る ． チ ム ニ 型 燃 焼 器 内 を1
～5 MPa
のN
2ガ ス で 加 圧 し ， 線 燃 焼 速 度 測 定 実 験 を 行 っ た ． 本 実 験 で は 圧 力 上 昇 開 始 点 か ら 圧 力 上 昇 終 了 点 ま で を 燃 焼 時 間 と し て 燃 料 長 さ か ら 燃 焼 速 度 を 算 出 し た ． 温 度 場 測 定 で は サ ン プ ル 内 に 素 線 径25 μm
のPt/PtRh13%
のR
型 熱 電 対 を 挿 入 し た ． い ず れ も 接 合 部 直 径 は 素 線 径 の3
倍(75 μm)
以 下 の も の を 使 用 し た ． 実 験 時 は 金 属 線 の 影 響 を 受 け な い よ う ， 燃 焼 速 度 測 定 と 温 度 場 測 定 は 別 々 に 実 施 し た ．6.
線 燃 焼 速 度 測 定 結 果先 行 研 究 3 )と 同 じ よ う に ，
PEG
の 質 量 割 合 が50 %
以 上 で はGAP
の 自 己 発 熱 分 解 特 性 が 抑 制 さ れ ， ニ ク ロ ム 線 加 熱 時 だ け 燃 焼 し た ．PEG#200
の 質 量 割 合 を0 %, 10 %, 30 %
と 添 加 し た 時 の 燃 焼 速 度 結 果 とChang
ら 5 )に よ るPEG#400
を0 %, 5 %, 10 %
と 添 加 時 の 線 燃 焼 速 度 結 果 を 図1
と 図2
に 示 す ．3 MPa
以 上 の 領 域 に お い て は 両 実 験 と もPEG
が 質 量 割 合10 %
の 際 ，uncuredGAP
と 同 等 か そ れ 以 上 の 線 燃 焼 速 度 と い う 結 果 が 得 ら れ ，PEG
を 添 加 し た 際 のGAP/PEG
はPEG
の 分 子 量 よ り も 添 加 量 が 線 燃 焼 速 度 に 与 え る 影 響 が 大 き い こ と が 分 か っ た ． ま た ，GAP30/PEG70
は 燃 焼 後 の 他 サ ン プ ル に 比 べ ， 黒 い 残 差 物 量 が 多 か っ た ．図
1.
各GAP/PEG
の 各 圧 力 に お け る 線 燃 焼 速 度This document is provided by JAXA.
図
2. Chang
ら の 線 燃 焼 速 度 結 果 5 )7.
温 度 場 測 定 結 果本 実 験 は 前 項 の 線 燃 焼 速 度 測 定 結 果 よ り 得 ら れ た
GAP90/PEG10
がuncuredGAP
の 燃 焼 速 度 よ り も 大 き く な る メ カ ニ ズ ム を 調 査 す る 目 的 でGAP/PEG
の 温 度 場 履 歴 を 測 定 し た 結 果 を 図3
に 示 す ． ま た ，Akshy
6 )に よ っ て 得 ら れ たuncuredGAP
内 部 の 温 度 場 を 図4
に 示 す ．GAP90/PEG10
の 最 終 到 達 温 度 は, uncuredGAP
サ ン プ ル よ り も 約100 K
低 く な っ た.ま た ,ど の 圧
力 で も 急 激 な 温 度 上 昇 の 勾 配 に 変 化 は 観 察 さ れ な か っ た.
図
3. GAP90/PEG10
の 温 度 場 履 歴図
4. Akshy
らuncuredGAP
の 温 度 場 履 歴 6 )8.
考 察線燃 焼 速 度 測 定 の 結 果 よ り ，
GAP/PEG
の 燃 焼 速 度 はPEG
添 加 量 に 依 存 し ， 分 子 量 に よ る 影 響 は 弱 い こ と が 明 ら か と な っ た ． 温 度 場 測 定 で はGAP
に 比 べ てGAP90/PEG10
の 最 終 到 達 温 度 は 約100 K
低 い が ，両 実 験 と も ，ど の 圧 力 に お い て も 燃 料 内 温 度300 K
か ら 最 終 到 達 温 度 ま で 約0.5 mm
で 昇 温 さ れ て お り ， そ れ ぞ れ の 温 度 勾 配 に 変 化 は 観 察 さ れ な か っ た ．こ れ ら 線 燃 焼 速 度 測 定 と 温 度 場 測 定 よ り ，uncuredGAP
とGAP90/PEG10
の 自 己 発 熱 分 解 し た 溶 融 相 か ら 内 部 の 燃 料 へ 伝 わ る 熱 の フ ィ ー ド バ ッ ク 量 が 各 圧 力 で 同 程 度 で あ る こ と が 分 か っ た ．GAP90/PEG10
の 線 燃 焼 速 度 がuncuredGAP
の 燃 焼 速 度 よ り 高 く な る 理 由 と し てGAP90/PEG10
とuncuredGAP
の 燃 焼 メ カ ニ ズ ム に 違 い が あ る こ と が 推 察 さ れ た ． 図5
に 本 研 究 よ り 推 察 さ れ るGAP,GAP/PEG
サ ン プ ル の 燃 焼 メ カ ニ ズ ム を 示 す ．uncuredGAP
サ ン プ ル は5 MPa
以 上 の 圧 力 で 高 い 燃 焼 速 度 を 示 し た ．過 去 に 行 わ れ た 研 究 か ら ，curedGAP
で は 溶 融 相 に て 窒 素 脱 離 反 応 が 開 始 さ れ て い る こ と が 判 明 し て お り 7 )，uncuredGAP
で も 同 様 の 窒 素 脱 離 反 応 が 燃 料 内 部 で 連 続 的 に 発 生 し ，窒 素 脱 離 反 応 に 伴 う バ ブ ル が ，は じ け る 際 に 周 囲 の 未 燃GAP
を 吹 き 飛 ば し ， 線 燃 焼 速 度 が 増 加 し た と 考 え ら れ る ．GAP90/PEG10# 200
サ ン プ ル は1
か ら3MPa
ま で の 範 囲 で は 燃 焼 速 度 は 低 い が ，3
～5MPa
で はuncuredGAP
よ り 到 達 温 度 が 低 い く 線 燃 焼 速 度 が 高 か っ た ．こ れ は ，PEG
を 添 加 し た こ と でuncuredGAP
よ り 低 粘 度 な 燃 料 と な り ，窒 素 脱 離 反 応 に 伴 い バ ブ ル が は じ け や す く な っ た こ と で 未 燃 焼 燃 料 がuncuredGAP
よ り 早 い 段 階 で 吹 き 飛 び ， 結 果GAP90/PEG10
の 線 燃 焼 速 度 がuncuredGAP
よ り 速 く な っ た こ と が 推 察 さ れ た ．GAP30/PEG70#200
サ ン プ ル は 各 圧 力 に て 他 サ ン プ ル よ り 多 く の 残 渣 物 が チ ュ ー ブ 内 に 堆 積 し て い た ．こ の 残 差 物 にThis document is provided by JAXA.
よ り 燃 料 の 吹 き 飛 び が 抑 制 さ れ た こ と で 燃 焼 速 度 が 低 下 し た こ と が 推 察 さ れ た ．
図
