研 究 論 文

研 究 論 文

ガス‑イ ブ リッ ドpケ ッ トの研究 ( 第

報)

一 硝酸

P系 コ ンポ ジ ッ ト ･ガ ス ジ ェネ レー ター

滝下幸男● ,寺本康博●

液体の酸化剤 と固体の燃料を組み合わせて燃焼 させる方式の pケp ,トは‑イブ ･ )ッ ドT 7ケ

トと呼ばれているが.その固体燃料を

次捻流量で燃焼 .ガス化 させ.これを

次燃焼室に導 普.' その

次像鹿妻に液体の酸化剤を噴射 し.燃焼 させ る方式は.特に,ガス‑イ7't ), ドp ケ ットと呼んでいる｡本研究では,液体の酸化剤を噴射す るために･ f ･ '･ /プ叉は他の加圧裳任を 用いることな く,燃焼 させた固体億料 ガスの一部を酸化剤容斧に蒔 き.その圧力で敢化剤を噴 射 させ る自己加圧型酸化剤供給方式のガス‑イブ ' ) ッ ドロケッ トを用いた燃焼妖艶に より, シ ステムの有効性を確放 した｡酸化剤 として発億硝酸を.固体燃料 として過塩素酸7 ンそこサム の含有丑を

に低下 させた撫料成分過多の Ap‑ HTPB 系 コンポジッ ト･ガスジェネ レータ を用いて

の範岡で燃焼 させ.燃焼効率

9

を得た｡

I . 猪 首

同伴 pケ ットはエネルギー源 として火薬の一朝であ る固体推進薬を用いるため,着火 された後は燃焼中断 が田津で,火災による加軌 破片の貫通などによ り五 I /ジンが容易に破壊に至るとい うような大災車を もた らす可能性を有 している｡叔近の運用者側の強い賓盟 の一つである｡ケ ツトの安全性を確保する ( I M 化)と い う面か ら,火薬を用いない ｡ナッ トエンジンの実現 が要折 されている｡ この点では,液体 F ,ケッ トは火薬 を用いないために安全性の高い Pケットであるが.燃 焼室の高い圧力に坑 して稔料及び酸化剤を噴射 させ る 必要があることか ら大能力のポンプの搭載等.構造が 振雑 となって.小型拝尋群用の推進装置には不向きで ある｡

同体 pケサトの構造が単純であるとい う特散を維持 しながら.燃焼の制御 と安全性を可能 とす る推進裳鑑 として.推進薬を固体の燃料成分 と液体の酸化剤成牙 とに分けて保有 し, この液体酸化剤の涜丑を制御 もし くは中断す ることによって格溌中断を乗現す る‑イブ ヅツ ドT ,ケット

が.再び注 目され研究成果の報告が多 くなってきている l 卜̀ ㌔

( 米国における研究の動峨付けは,上記 I M 化のみな

年

月

日受理

' 防衛庁技術研究本部

研究所

‑19

0 東京 市立川市巣町

1 ( 内線2 40)

らず,環境破壊をもたらさない推進裳庇の乗現 とい う 無公専化の賓掛 こ対す る対応 とい う一面 も大 きい｡)

2.

ガスハイ1 リ ･ ･ Jドロケ. ･ Jト

基本的に.‑イブ. Jヅ ドロケッ トは.液体酸化剤 タ I /ク,液体酸化剤供冶系,固体燃料容善を兼ねた像鹿 妻等か ら成る構造であるため.液体 t 7 ナ ッ ト及び固体

ロケットに比べ以下のような特散を もつ｡

利点 としては.

( 1 )液体 t ,ケットに比 して椴道が簡単である｡

(2)

固体 pケットに比 して推力の制御が可能である｡

( 3)酸化剤の選択に自由度があるため.排気ガス中 の‑ F '

' /化物を無 くす ことが可能である ( 排 気ガスの無煙化及び無公専化が期待できる

(4)固体燃料及び酸化剤の組み合わせに 自由度があ

るため,固体 F ,ケツ トに比 して比推力の向上が 期待できる｡

(5)国体 pケ ツ トに比 して酸化剤 の配合比をよ り大

きくす ることが可能{･ あるため.理論混合比で の低廉 とな り,未燃炭化水窯の生成を抑えるこ とができるので.固体成分か らの赤外線放射を 低下 で きる ( 赤外ステルス性の確保が期待で き る) ｡

しか しながら.欠点 として,

( 1 )理絵比推力は液体 T ]ケットに比 して低い｡

(2)実際の稔虎効率が理告放免効率に比 して悪い｡

(3)

同体 pケ ットに比べた場合は.構造が複雑 とな

Kay8kuG8kkalshi.

Vo

.No.4

る ( I(ルナ,酸化剤供給系.配管,噴射 ノズル 等が必要｡)

(4)

固体 ロケ,トに比 して貯最性が劣る｡

等が挙げられてきた｡

しか し,それらの報告の多 く札 燃料 として酸化剤 成分を含まない高分子物質の燃洗面に液体酸化剤を噴 射 して燃焼 させ る｢従来型‑イブ . )ッド. ]ケ ット｣と 呼ばれるタイプのものである｡従来型‑イブ リッドt '

ナットでは,未燃焼の低料成分が多食に残るとか.汰 れの方向に燃料の燃焼速度が一定でない とかの技術的 難点を有 してお り,一般的に,燃焼効率を如何に して 高めるかが詐題 とされている｡

これに対 して.自爆性を保持する程度に酸化剤成分 を含有 した固体俄料あるいは自燃性を有する高分子橡 料を用いてこれを

次燃焼室で燃焼 ･ガス化 させ,発 生 した燃料成分過多の燃焼ガスを

次低能室に蒔 き, その

次低廉室に液体の酸化剤を噴射 し,燃焼 させ る 方式の‑イブ ･ ) . }ドt ,ケッ トが.久保田等71に より 考案された｡久保田尊は,これを ｢ 従来型‑イブ . )ッ ドpケッ日 と区別 し,ガスジ壬ネ L ,‑タ方式のハイ プ

̲ ,ドpケ ,トであるとい うことか ら , ｢ガス‑イ ブ . )サ ドpケ ッ ト｣と名付けた ( 英訳では.St

とも呼ばれる) ｡ このガス

ジェネt /‑タ方式の‑イブ1 )ッドF ,ケットは,固体燃 料を l次燃焼室であるガスジェネレータ内部でガス化 させ

次燃焼室で酸化剤 と反応 させる構造を とって お り,高温度の燃料ガスとそこに噴射 される軟化剤 と の反応であることか ら燃焼効率が高 く｢従来型‑イブ I ). ,ドpケ. Jト｣における低燃焼効率性を解決で きる 可能性が高いこと及び

次燃焼室圧が

次燃焼室正 よ り高いことを利用 して. 1次燃焼室の固体蛤料ガスの 一部を顧化剤容欝に苛 きその圧力で酸化剤を噴射 させ ることができることから

･酸化剤供給系をより簡単な 構造 とすることが可能 となる特散を有 している｡

本研究は久保田に よ りなされた理給的検討

)を受 汁,乗敦的検肘を乗施す るものである｡実敦に際 して は,通常,液体の酸化剤を噴射するために必要 とされ る酸化剤供給系ポンプ又は他の加正装位を用いること な く.ガスジJ Lネレーク方式であるがゆえに可能 とな

Fig.1 Tes血 gappamtus

る｢自己加圧型酸化剤供給方式｣.即ち

,燃焼 させた 固体燃料 ガスの一部を酸化剤容券に導 きその圧力で酸 化剤を噴射させるタイプのガス‑イブ を用いて燃焼妖

ッ ドpケッ ト

艶を行い,その像焼特性を検討する｡

3.

燃焼就験装置及び解析方

3

その圧力で

燃焼 させた固体燃料ガスの一部を酸化剤容韓に蒔 き

燃焼就験装置 法 酸化剤を噴射 させる｢自己加圧型酸化剤供 給方式｣を有す るガス‑イブ t ) ッド壕焼試換装

要をFi 1次燃焼室に固体燃料 として燃料成分過多の

1に示す｡ 蛭の概

HTP

J 3系 コソポジγ トガス

廿でユFuトく

∝ 9N rN tJ n B

10 28 30 40506888 100

CHM ERPR【SSURE^帥 G 訓

Fig.2 Bumingratevs

pressure

本燃焼紬 で

1

次燃焼室 ノズルでチ ョ‑クさせない 条件を選んだ｡

2

次燃鏡室の影響を

次燃鹿妻に及ば せないとい

う点では

次 ノズルでチ ,‑クさせた方が 良好な燃焼安

定性が期待できるが,ガスジェネ レータ である l次燃焼

室 と

次像先主の圧力との関係がアン チ 9‑ク

条件でも酸化剤 タl /タの加圧源 として安定す るかを

検証するためである｡

酸化剤については,理絵解析では.液体酸 素 ( L

) . 四酸化二窒

4

,過酸化水

),硝酸

(HNO3

).亜酸化窒

の順で理姶比推力は低 下す るが.入手性及び取扱性の点から本釈放では

先度 硝敢を用いた｡ 敢化剤 タソクはステンレス製で内部に ピス ト

ンを挿 入 した ものである

は タンクに酸化

剤が充満 し, ピス トンは酸化剤出口の反対側,即ち,加圧用

低廉ガ ス入 り口側に押 し付け られた状態を示 している

｡敢化 剤出口から

次燃焼室に至る配管

の途中に7t 3‑}一 夕式の

流丑計及び電磁弁式のシャットオフバルブを挿 入 した ｡ 2 次像鹿妻項部に 3 ^個

のスワール型インジ

クターを取 り付け,液体酸化剤を霧状化 させた

^次

橡鹿妻の断熱材 として 1

P樹脂管を内面に裳著 した｡

次燃焼室圧力及び

次燃焼室圧力並びに

の 開塾は . 1 次燃焼室 ノ

ズル及び 2 次像虎主 ノズルのス ロー ト径

並びにインジェクターのオ

フィス径を変化 させることに

よって達成 した｡

3.2

桑原等9 拭敦の狙い

I

に よって もガス‑イブ リッ ドF Zケット の乗験的報昔

がなされているが,その報告では

次燃 焼室圧力は放大

までであ り.

乗用 . 'ケッ トと

しては低過 ぎることか ら,本研究は

程度 まで高める

次燃焼室圧力を

Tab一e2(a) ResultsoffiriJ)gtest

TeNos.t Pressure GasgeTinemesratore(cmean)

B

r

y

ks/CJG No.1 83.65 3.1

6.51 49.31 No.2 63.05

3.6 5.52 47.34 No.3

61.13 Table 3.7 5.32 40.71

2(b) ResultsoHiringtest

TeNos.t osecondarycFuombselgtoTooasflowxidizertank DensityLiquiVodoluxmefidizleor幻ow w ‑MaSSn 0/F

○W g/see g/see ど/cJ CC/See g/see No.1 222.0 5.2 I.526 121

.

8 0.83 No.3203.40.96No.31 .2 2172.75.2I.524167.8255.7 1.1 4.7 1.526 133

1.48(

.a ..a

∝ J t l U

等 王 U

t J 3 Z

I Q ( X O C J O

l l l

〇 ロ コ

J

uN ] 1

【

ぎ

̲ 軌

皿

乱 篭 9

]

d で

1

GaSCerLerat

rY tor

.O) 0.a) I.0 2.m 10 一.a) iO)

Fig.3 Chamberpresure ystim e

TIME z zc

Fig.4 Volume瓜owofoxidizervst ime(5 )C

●効率

ワC

'は

式 ( 5) で来 され る｡

ウC'‑C+a/C◆Lh

x100 ･ (5)

ここに

は理絵特性排気速度

で , l次燃焼

辞 (ガスジェネ レータ)で生成 された噴出ガスと

孤 肌 m m 皿 ･ d T

P

∝ u I≦

‑

山N

U9

S V

9

‑○ u∝ n

15

‑

山 岳 1

Am I . a

3 , 0) u

5 . m

T

;

Fig.5 Temperabreofgas

generatorvs血 e

次燃焼欝へ噴射 さ

れる酸化剤の混合比串によって理 曲的に熱平衡計掛 こ

より求める｡

(6)

特性長 さ上●に対す る 特性長 さ

◆)

燃焼効率等の解析にあたって は.式

に よっ

て特性長 さを求め る｡

L'‑VN/ A

ここに,VN

:

次燃焼芳容掛

4.

就験結果の一覧表を 央験括果及び検討

)

に示す｡

一例 と して,乱臣番号

2

%

(b A)

uN a lU J

NO Jト S

g

U

0/F

Fig.6 CombustioneELiciencyvs0/F

燃焼等の兆候 もな く安定に低廉することを確認 した｡

圧力‑時間曲線を見ると,点火後約

秒間 とそれ 以降に大 きな圧力段基が見られる｡ これは , 1次燃焼 室が

ソチ 3‑クであること及び液体酸化剤の

次燃 焼室への噴射時間遅れによるものである｡ このことに よる燃焼安定性への彫執 土ないと考えるが,実装型‑

イブ ' ) ッ ドf 7ケットエソジー /の設計に当たっては.燃 焼効率及び推力制御時の応答性に問噂があるのは明ら かであるため,ガスジェネ レータから酸化剤 タンクま での加圧用配管及び酸化剤 タ' /クか ら

次低廉童への 酸化剤用配管は橿力短 くする配慮 と共に推力制御用酸 化剤

f fバルブの配

次燃虎重の直近 とか)守 に考慮する必要がある｡

(2)

感涙効率と

の関係

低廉効率ボ ●と

の関係を

に示す｡

Fig.6

に示す ように

が

の屯田で.

QC

'は

以上の値が得られた

P含有

推進薬は.ガスジェネ レータ内で捻洗 しその l次像 坑 ガスの且庇は.平街計井か ら

に示す比率 で

次稔境室内に噴出され る｡ このガス

当

を完全燃焼 させるのに必要な酸素丑は

とな り.発煙硝酸では

にあたる｡即ち

での燃焼の場合が,理告混合比での爆焼{･ ある｡従っ

て･本燃焼就験における

の場合は.理路 混合比の

倍の酸化剤 しか供給 されていなか ったこ ととな り.燃焼効率Q C' が痕 も低か った ものと考えら れる

‑

の場合が,理絵混合比に濃 も近い 状感での鹿央であったことになる｡

(4)

理鎗比推力と

本実験に用いた

固体燃料 と硝 酸の組み合わせにおける理姶比推力を計井 した結果を

に示す｡理論混合比近辺では

秒を越えてい る

奄度の燃

圧力で達成 され るアル ミ入 り 国体 p

ットと同等であ り. しか も,無煙であるとい

うことは.7ル ミ無 しの希感化 t ,ナットモータがせい ぜい

秒程度であることか ら.‑イブ . ), ドF ･ケ,

トの優位性を示す ものといえる｡

(5)

低廉効率 と特性長 さの関係

本燃焼妖験に使用 した

次燃焼重は, ガスジェネ レータガスと液体酸化剤の混合 ･拡散の確実性を期 し て･内径

E Z Dさ､長 さ

m とやや大 き日のものを用 いた.従 って.特性長 さは

とい う値 とな ったが.乗際は,これほど大 きな

次撫虎室でな くと ち.乗用上十分な撚虎効率は達成できると考えている ので,今後は

次燃焼室の奪取をより小さくし､乗義 塾‑I /ジl /の故計データを取得することも考慮する｡

(6)

自己加圧型酸化剤供給 システム

酸化剤の供給については.捻旋安定性の項でも官及 したが.酸化剤 タ. /クから皇次他流重‑の酸化剤用配 管の酸化剤

of f′ 1ル7' 以降にボイ ドスペースがあ るため,加圧初期に多丑の酸化剤流丑が親察 された｡

しか し

次低廉董圧力が立ち上がった後は,ガスジ ェネ レータ圧力に追随 して,安定に酸化剤供給 したと いえる｡

2MPa

軽度の蓋圧があれは.ガスジェネ L '‑タの 圧力と

次燃焼室の圧力との関係がアンチ ｡‑ク条件 であってもガスジェネ レータの燃焼 ガスを酸化剤 タ･ /

クの加圧源 として用い, ピス トンを介 して液体酸化剤 を加圧 し.

次燃束室に安定に酸化剤を供給できるこ

とが検証できたと考える｡

2

次燃焼に寄与せず,この酸化剤タンクの加圧用 と して使われたガスの畳は,発生 した 1 次燃焼 ガス丑の

であった｡

Table3 Molefractionoffuelgasintosecondarycombustor Spiecies C(S) CH20 CH4 CO CO… C2H4 C2H6 HCb HCN H2

H20 N

HS

ba%/c1t仰ion0.139290.000Ol0.050310.270100.020790.0800I

0

00

80.

0 4

0

0/ド1

Fig.7 Specificimpulse(theoretical)

vs0/F

酸化剤流量計の直近 で計測 した酸化剤

温度 は実鼓 に おけ る

回の就負 において.いずれ も燃

焼終 了 までの 約

秒の間ほ とん ど温度上 昇は見 られ な

か った｡ ただ し,揮 肉製 の酸 化剤 タ ンク及 び ピス トン

を用 いてい る ことか ら.その ヒー トシ ンク効果 も予想

され るので, さらに検討す る必要 があ

る と考 え る｡

5

.

ま と め

( 1)液 体酸 化剤 と して 発煙 硝酸 を , 固

体払 料 と して

コl /ポ ジ p /ト

･ガス ジ ェネ レー タを用 いた ガ ス‑ イ ブ I )ッ ド

pナ ッ トの燃 焼 試験 を実 施 し.安 定 した燃 焼 を

得 る と共 に.

燃焼特性 に関す るデ ー タ

を収 得 した｡

(2)2

次燃 焼 室 圧 力が 約

の燃焼 東

浜 で

秒 軽度 の比 推 力が 得 られ た こ とは ,

7 ル ミ無 しの 癖煙 化 pケ ツ トモ ー タ と比較 す るな

らは . ‑イ ブ リッ ドpケ ･ J トの優 位性 が示 され た もの とい

え る｡

( 3) ガス‑イ ブ t )γ ドt ,ケ ッ トゆえに可

能 とな る自己

･ 加圧酸化剤供給 方式 の有効性が検証 で きた こ とか ら. ‑イ ブ l )ッ ド. 2ケ ッ トの難 点 の

一 つ であ る酸 化剤 供給機器 の怖素化 の可能性 を

兄いだ した｡

( 4)今後は,敢 化剤は取扱性 の観 点か ら

当面 は発煙 硝 酸 を用 い る こととす るが, N. ス ジ ェ

ネ レー タ用固 体燃料 は. ガス‑イ ブ 1 )ッ ドF 'ナ ッ

トの特 散 を生 かすべ く,無塵性 を確保す るため に.

非 ‑ pゲ ‑ / 系固体酸化剤 コンポ ジ ッ ト ･ガス ジ

ェネ レー タ及 び固体酸化剤 を用 いない ア ジ化 ポ リ

マ ー系 ガス ジ ェネ レ‑タに よる燃焼粟島 を予定 してい きたい｡

謝 辞

本実験 にあた って,釈放場所 及び試験

･計測装置 の 提供 を受 けた 日産 自動串 ( 秩) 研究開発 セ

ンターの方 々 に厚 く感謝す る次第 であ る｡

文 献

1)B.GrainerandA.Frederick,Jr･AIAA Paper92

‑330

1 .

2)P.N.Estey,AerospaceAm eri

c

.

62‑65.

3)A.BenYikerandA.GaAy,AmA Paper93‑

2548.

4)N.S.Cohen andD.Strand

,

2550.

5)B･GrainerandA･Frederi

c

,AL A

‑ 2878.

6)E.J･Wemi montandS.E.Meyer,AIAAPaper94

‑3147.

7)

久保 田.光野 ,桑原 ,小 田島 ｢ハイ プ

J Jヅ ドロケ

｣特許申静 ( 平成

5

年

月).

8)

久保 田.｢ガス‑イ ブ l Jッ r ･F ,ケ ッ

トェ . /ジ ン ( 燃 坑 方式 と理絵燃 焼 性能 )｣ 防衛

庁技 術研究 本 部技報 ,第

号

94.7).

9)T･Kuwahara,M.Mitsuno,H.Odaji

ma,S.

Kubozuka and N.Kubota,AIAA Paper94‑

2880.

10)T･Kuwaha

r

j i

, AI AA

‑140

‑

A studyofgas･hybridrocket(Ⅰ)

‑ Nitricacid/AP･compositegas･generator‑ byYukioTAKISHITA書,Y

a

h agas‑hybridrocketen由ne,liquidoxidizerandfue1‑gaswhichisgeneratedina pnmarycombustorarebumedinasecondarycombtlStOr.Inthisstudy,ane9lperimentalin･

vestigationwascarriedouttoobtaincombustioncharacteristicsofamicrogas‑hybrid rocket.Themicrogas‑hybridrocketconsistsofaself‑pressu

nl

s ur

f u m ･

hemicrogas‑hybridrocket.Thetestres

ul

95.6%intherangeof0/F,0.83

‑

(*ThirdResearchCenter,TRDI,JapanDefenseAgency 1‑ 2‑10,Sakae,

Tachikawa,Tokyo190,Japan)

K8yakuGakkaishi･Vol･57･No･4･1996 ‑141‑