GAP/ A N推進薬 の燃焼速度特性

GAP/ A N推進薬 の燃焼速度特性

加藤一成+ .中下吾郎+

燃焼生成物の中の塩化水瀬見を低減 した推進薬 として.酸化剤に硝酸7. /そこウム ( AN) , バインダに グl )シジル7ジ ドポ 1 )マ ( GAP) を用いた推進薬を乗用化す るために,燃焼速度 特性を改良す る研究を安施 した｡その結果.少量の過塩素酸アンモニウム ( AP) を添加する と糠焼速度が増大 し ,A Pと AN との重丑比が AP/ AN=1 . 0になると ,4MPa 以上では ,AP 氾 よる拡散火炎が俄焼速度律速段階 とな り.正力指数が 0. 3 7 に低下することがわかった｡ また, GAP/ AN/ A P推進薬に酸化鉄を添加すると,燃焼速度および 5MPa 以下の圧力指数が増大 し, 高圧側では圧力指数が低下す る ｡ これは,酸化鉄が AP の. 8分解速度増大に作用 しているもの

と考えられ る｡

I . 総 官

｡ケツ トから排出さh る燃焼生成物の環境に対する 影響,掛 こ固体 ｡ケッ トでは酸化剤の過塩素酸7ンそ こウム ( 以後 AP と堵記)か ら生成 され る塩化水菜の 環境‑の影執 こついて櫛 々報告 されているH .そこで.

AP を硝酸 アンモニウム ( 以後 AN と略記)に代えて 塩化水素を生成 しないようにすることが考えられる2 ) ｡

しか し.従来の A N系推進薬は,低燃焼温度,低比推 力,低燃境速度なので., :インダを末端水酸基ポ t )ブ タジエ ン ( 以後 HTPB と喝記)でな く摘エネルギーポ I Jl 7‑で あ る グ 1 )シ ジル 7 ジ ドポ L Jヤ ー (以 挨 GA Pと暗記)として改沓することが報告 されていが ) ｡

しか し, このような GAP/ AN 系推進薬は,それで ち.従来の HTPB/ AP 推進薬 と比べて.実用化す るた めには,燃焼速度が低い.圧力指数が高い,燃焼温度 が低いために7ル ミニウム ( AL) の燃焼効率が低い などの閉域点がある｡

本 研 究 の 目的 は , 塩 化 水素 の先 生 を 低 減 した GAP/ AN 系推進薬の燃焼速度特性上の問題点を改啓 して契用化するために.少丑の AP および燃焼触媒添 加による効果を杷塩することである｡

2 . 理輪性能

Fi g.1 にアル ミニウム ( AL) を添加 した GAP/ AN 1 9 9 5 年 3 月 1 4 日受理

'日本油脂 ( 秩) 愛知 県琳某所武豊工場 研究開発部

〒4 7 0‑2 3 愛知 県知 多郡武豊町字北小松谷 61 ‑ I でEL0 5 6 9 ‑ 7 2 ‑1 9 5 4

F A X 0 5 6 9 ‑ 7 3 ‑ 7 3 7 6

系推進薬の理誇比推力 ( I B p ) ,理飴松焼温度 ( T E ).

生成物平均分子量 ( Mr L ) を示す｡計井には SP‑2 7 3 プpグラムを使用 した ｡Fi g.2 には .AL 量 と燃焼生 成物丑 との関係を示す｡

Fi g.3 には , APを添加 した場合の理論値を示す｡

AP 添加に より,燃焼温度 と平均分子丑共に増加する 那.燃焼温度の増加割合が平均分子丑の増加割合よ り 優 るため.比推力 も増大する ｡Fi g.4 に ,AP 添加免

と塩化水架生成量 との関係を示す ｡AP と A Nとの韮 量比が AP/ AN=2 0 / 5 3 になると,酸化剤をすべて AP

(to u q J Bq ) u M

A

l

0. 1 0. 2 0. 3 AI (i)

F i g.2 Conbu do npr o dt l C t SO fGAP/ AN/ A LPr o ･ p e l L a J t t S.

0 . 1 0 . 2

^ )(i) F i g. 3 Co mb us t i o nCha E a C t e d dc so f G

AP/ AN/ AP/

ALPr ope l

hJ l t S.

とした場合に比べて壇化水菜発生丑は 3 0 % にま で把少 している

3. 粟島に用いた推進薬組成を 乗験方法 ｡ 蓑 1

に示す｡推進薬の牧 枚的特性 を考慮 して ,A 的 こは相

安定化剤 と して柄巌 カ l )ウム ( KN) を 1 0% 含有 した平

均粒径約 1 8 0 p の A

NK まず. Nを使用 した｡ AP 添加の効果を求めるために

. GAP2 5 % を

′;イ ‑ /タとした推進薬で. AP/ A N比を

0. 0 か ら 1 . 0 ま で変化 させた場合の燃焼速度を求め

た ｡AP は粒径約 2 0 0 F ' の ものを使用 した｡ また.推

進薬の高エネルギー 化のために粒 径5 F I の AL を 1 5% 添加 した推進薬 も用 ( % ) ) ‑ A L 3 T t

P OJE J t U H 0 0 5 4 30 20 10 20 406O

A I l( %) 丘

4 ■

0 .

0

o !l q SS

息

! ? J V L 一U H 735333 130

AN(%) Fig.4APContentys.HC I P roduct TablelB u mingratemeaLStmmentSam plesFort

mulation

単位

Wt % ' い 燃焼速度は. た｡ 6mX6r E d nX1 3 0 d Z Z b の拭科

を クp7 *‑

ド型ス トラ. /ド伝焼津

を用いて軸定 した｡

また.軽蔑容執 こ設けてある透

過窓を通 して,虎焼 状況 を桐ペ るために,線径 5 0 f I また

は 5 I L の白金 一白 金 l o 財 E Z･ }ウム熱取対を用いて.

構焼中の温庶分布を 潤定 した｡ この実験 では GAP バイ ンダー血

は 3 0% と した｡ GAP/ AL/ A N推進薬の燃焼速度

お よび A Lの燃焼効 率を史に増大 させ るためには.少

丑の AP を添加す る 必要があるが. AP 添加丘をなる

べ く少な くす るため に ,AP2 0% 系で燃焼速度を増大

させ るための態喋の 効果 を確鑑 した ｡GAP/ AP 系では ,F

i g,5 に示す よ うに酸化鉄に効果があることが帯

者 らの爽鼓か ら解 っ

ているので.本研究‑ ( ･ も酸化鉄につ

2 510 2 0 Pressure,W

a

F i g.5 Ef f e c to E Q t a l y s to nGAP/ APPr o p e u 肌t

s S

p t t y a .

q ! 鏑 ー1 51 h t u T t a Fig. 6B uming Rat esoEGAP/AN/AP/A 0 Pressure , M P

L 速度挽稗には AL はほとんど寄

与 していないことを確 肱 しているので.この乗鼓に用いた推 進苑に AL は添 加していない ｡ 4. 実験括果 AP を添加した場合の突放括巣を燃克速度と

圧力の 関係として 熱屯対に1る温度 プp77イル滑走結果を Fi g.6 に示す｡ Fi g.7

に示す｡ 燃虎魚喋の効果を転流速度 と圧力 との関係として Fi g.8 5. 考 に示す｡

5 . I A P添加の効果 蘇

0

x

. a J T t ) 邑 t t f a C J

I

' ' AN( A . 7 )

>

ー 5 0

5 1 0

Di s t a E l C e . 山nX I O ■ F i g.7 Ef f e c to E t h eAdd i do no fAPo r

ALo n t he t e m perat ur ePr o f i l e i n t h e Co mb u s d o n Wa v e

o EGAP/ A NP r t ) p e l hnt 5

1 0 20 Pr e s s ur e, Mya

s r u ^t

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a q t ^{] 3 t}

! t J J [ T t t

[ F i g.8 Eue c to f Ca t a l y s t o nGAP/ AN / AP Fi g･6 t . =示すように ,GAP

/ AL/ A N推進恥 こAP を 添加す ると.燃焼速度が増大 し .

AP と AN との止血 比が AP/ AL N‑

0. 5 になるとf E力持故の低下 も見られ る ｡AP/ A N

比が 0. 2 から 0. 5 においては,燃焼速度の 増大は急敦で はないが . A

P

1 5 1 0 20 Pr e s s u r e , M ph

10 5

s r u u . 3一t ! t[ 帥 t L ! tu Tt 鏑

F i g.9 EE L e c to E Ca t a l y s to nGAPBi nd e r

解 して燃焼表面を覆 って しまう｡ しか し ,Fi g.7 か ら解 るように AP を添加す ることで燃焼表面近傍 ( 〜

5×1 0 ‑ 4 m離れた付近)の温度が増大 してお り,火 炎の輝度 も増大 している｡本乗鼓か ら AP 添加丘が多 くなると AP による拡散火炎が燃焼速度律速段階 とな ってお り .Su m me r f i e l d の粒状拡散火炎モデルが適用 できるといえる｡

5. 2 塩焼触媒添加の効果

Fi g.8 に示す ように .GAP/ AN/ A P系で も酸化鉄 に牡媒効果があることが解 る ｡GAP/ AP 系 と同様に, 酸化鉄含有丘を増大 させ ると燃焼速度および 5MPa 以下の圧力指数は増大するが.高圧側の圧力招致は低 下する｡

GA Pは自己燃境性を有す るが ,Fi g.9 に示す よう に ,GA Pに酸化鉄を含有 させると低廉速射 土低下す る｡すなわち.酸化鉄は GA Pに作用す ることはな く, 串に不活性な添加物 として作用 し,エネルギー低下に

よる燃焼速度低下の効果を示 しているだけである｡ ま

た.酸化鉄が AN にほ とんど作用 しないことも確汲 し ている｡

Fi g.8 に示す推進熟 IAP/ AN=0. 3 6 {･ あ り.酸化 鉄が AP 熱分解速度増大に作用 していることが明確 と な った｡なお,APに対す る酸化鉄の触媒効果につい ては,過去に数多 くの鎗文が発表 されている 6)7) の で,ここではその辞恥 こついては省略す る｡

6 . 着 輸

( I )GAP/ AN 推進薬に AP を添加 して ,AP と AN と の垂丑比が AP/ AN ‑1 . 0になると .4MPa 以上 でAPに よる拡散火炎が燃栄達庇神速段階 とな り ,4MPa 以上の圧力指数 が0. 3 7 に低下する｡

( 2 )GAP/ AN/ AP推進薬に酸化鉄を添hすると.燃 焼速度および 5MPa 以下の圧力指数が増大 し.

高圧側の圧力伯叔が低下す ることがわか った｡

これは . 酸化鉄がAPの熱分解速度増大に作用 し ていると考えられ る｡

謝 辞

本研究を進めるにあた り,御拍g,紳助雷を戴 きま した防衛庁技術研究本部第 3研究所久保田浪之介所長 にお礼申 し上げます｡

文 献

1 )A. ∫ .Mc Do na l d,AI AAg 2‑1 6 6 0( 1 9 9 2 ) 2 ) 宮内一夫,久保田浪之九 防衛技術 ,8 , ( 1 9 8 8 )

恵一,工業火薬協会秋季研究発表会要 旨集 ,pp.

6 3( 1 9 8 9 )

4 ) 加藤一成,中下吾郎.工業火薬協会秋季研究発表 会要旨集. pp. 6 7( 1 9 8 9 )

5 )K Ku bo t a ,K.na t oa ndG.Na ka s hi t a ,Pr o c e e d･

i n gsO HCT( 1 9 9 1 )

6 ) 冗. Ki s br ea n dM.R.S m i t ha,AI AAJ o um a l . Vo l . 1 7 ,No . 1 0. p p. 1 1 1 8( 1 9 7 9 )

7 )E. W. Pri ce a J ) dJ . K. S a mbmu r t h i , Pr ∝e ed

o LJ ANNA F Co mbu s t i o l l M ee t i n g, p. 21 3( 1 9 8 4 ) 8 ) 加藤 一成,火薬学 会年会誇所要 旨集 ,pp. 1 47

( 1 9 9 4 )

Ka ya k t JGa k k ai s h i .Vol .56.No.3.1 995 ‑L 3 3‑

Bur ni ngr at echar act er i s t i csofGAP/ ANpr opel l ant b yKa z us hi g eKATO' F a ndGo r oNAm SHI TA *

Tbebumi ngr a t ec h a r a c t e r i s t i c so fr e dl l C e dh ydr o ge nc h l o r i d epr o pdl a ntwhi dlC O m ‑ t a insa mmo n i u mn i t r a t e ( AN)a so x i d i z e ra ndgl y c i d y la z i d epo l y m e ra sbi n de rwa ss t udi e d i no r de rt omodi f yi t sb ur ni n gr a t ec ha r a c t e r i s t i c sf o rpr a cti c a lus e . Thebu mi ngr a t ei si n･

c r e as e dwhe nas ma lla mo untofa mmo n i u m pe r c hl o r a t e ( AP)i sa dde d.W h e nt hewe i g ht r at i oo f AP / ANi sI . 0 .t h edi L f us i o nf la meo fAPbe c o me st her a t ede t e r m in e s t e po ve r 4 MPapr e ss t uea n dt hepr e s s ur ee xpo ne n to ft h eb t m i n gr a t ede c r e a s e s0 . 3 7 , W h e nf e r r ic o xi d ei sa d de dt oG AP / A N / APpr o pe ua n t ,t hebu r ni n gr a t ea ndt hepr

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T hi si sc a us e d b yt het he r ma lde c o mpo s i t i o nr a t eo fAPi n cr e a s e db yt hef e r r ico x i de . ( + L NOFCo r po r a t i o n,Ai c h iwo r ks ,Ta ke t o yop l a nt ,Re s e a c ha n dde ve l o pme nt

de pa r t me n t , 61 ‑ 1Ki t a ko ma t s u da n i , Ta ke t o y o‑c ho, Chi t a‑gun, Ai c hi4 7 0‑

2 3 , J a pa n)

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