JP3795089B2 - 非晶質ポリエーテル/不活性可塑剤を含む固体推進薬 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は酸化剤、燃料及び結合剤から成る固体組成物推進薬に関する。
【0002】
【従来の技術】
本発明を含む等級の結合剤の発明以前は、乗用認定されたまたは国防総省(DoD)クラス1.3(非マス−爆発性(non mass-detonable))用途のための固体推進薬における技術の現状は不活性のヒドロキシ−末端ポリブタジエン(HTPB)結合剤を含有するものである。これらの配合物は一般に固体分86〜88%を含み、そして過塩素酸アンモニウム酸化剤を使用する。それらはまたジオクチルセバケート(DOS)またはジオクチルアジペート(DOA)のような不活性可塑剤、アルミニウム燃料、及び固体環式ニトラミン類シクロテトラメチレンテトラニトラミン(HMX)またはシクロトリメチレントリニトラミン(RDX)を使用する。HTPB推進薬は、それらがDoDクラス1.1(マス−爆発性)であるダブル−ベース(double-base)推進薬よりも高価でなくそして使用に安全であるので有用である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
HTPB推進薬は低い電気導電率(または高い抵抗率)をも有し、それらを悲劇的な絶縁破壊及び他の静電的危険に敏感にしている。静電的放電は、HTPB結合推進薬を含有する従来技術のロケットモーターの取扱い及び製造の間に起こる悲惨な火災の原因であることが知られている。
【0004】
HTPB推進薬は消火するのに高い減圧速度を必要とする。結果として、迅速なモーター減圧を通じた急な終了(thrust termination)を必要とする用途においての使用に適していない。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者は、HTPBに基づく推進薬と比較して改善された安全性(電気導電率)、性能(密度)、及び弾道(消火)を有する、非晶質ポリエーテルで造られた結合剤を有する新しいクラスの推進薬を開発した。1つのそのような推進薬(米国特許出願第326,852号の目的物)は、非晶質ポリエーテル及び効果的な可塑剤を含んで成る結合剤系を有する。本発明者はその発明のものと類似の性能の特徴を有するが、特に減圧中により安全(例えばより大きい消火性)である推進薬を開発した。
【0006】
本発明は、酸化剤、燃料、結合剤を含んで成る固体推進薬組成物であって、結合剤が推進薬組成物の全重量基準で
(a)1000〜9000の分子量を有する非晶質ポリエーテル約3〜約12%、及び
(b)不活性可塑剤約1〜約12%
を含んで成る、固体推進薬組成物である。
【0007】
本発明はDoDクラス1.3推進薬である。そのような推進薬は例えば地上−発射要撃ミサイル、空中発射戦術モーター(motor)及び宇宙空間ブースター用に使用される。本発明の推進薬の他の用途は戦略用、戦術用、煙りの少ない、及び最小限の煙の推進薬並びに不感受性軍需品(insensitive munitions)である。
【0008】
本発明において使用される非晶質(「軟セグメント」)ポリエーテル類は、分子量1000〜3000及びエチレンオキサイド含量15〜40重量%のエチレンオキサイド−テトラヒドロフランコポリマーを含む。これらのポリエーテルはE.I.duPont de Nemous Inc.(デラウェア州ウィルミントン)からTeracol TE2000ポリエーテル(分子量=2000、エチレンオキサイド=38%及びテトラヒドロフラン=62%)として、及びBASFコーポレーション(ニュージャージー州パーシパニー)からER−1250/25ポリエーテル(分子量=1250、エチレンオキサイド=25%及びテトラヒドロフラン=75%)として商業的に入手できる。
【0009】
不活性可塑剤は正の爆発熱(HEX)を有しない材料として定義される。HEXは推進薬または配合剤を不活性雰囲気(例えば20気圧のN2)中で燃焼し、そして次に一定体積で周囲温度まで冷却することによって放出されるエネルギーである。本発明のために好ましいものは負のHEXを有する不活性可塑剤である。
【0010】
本発明に有用な不活性可塑剤は非晶質ポリエーテル中に混和性(相溶性)でなければならない。本発明の非晶質ポリエーテルは比較的極性(HTPBに比較して)である。結果として、本発明において有用な不活性可塑剤も比較的極性でなければならない。
【0011】
好ましくは、不活性可塑剤は9(cal./cm3)1/2以上の溶解パラメーター(σ)を有する(溶解パラメーターは不活性可塑剤の溶媒和力の尺度であり、そしてこれらの材料についての熱力学的定数から計算できる。)。
【0012】
好ましい可塑剤はトリアセチン、アセチルトリ−n−ブチルシトレート(ノースカロライナ州グリーンズボロのモールフレックスケミカルCo.,Inc.からシトロフレックスA−4として商業的に入手できる)、アセチルトリエチルシトレート(モールフレックスケミカルCo.,Inc.からシトロフレックスA−2として商業的に入手できる)、トリエチレングリコールビス−2−エチルブチレート(ニュージャージー州バウンドブロックのユニオンカーバイドCorp.からフレクソールプラスチサイザー3GHとして商業的に入手できる)及びテトラアセチレングリコールビス−2−エチルヘキサノエート(ニュージャージー州バウンドブロックのユニオンカーバイドコーポレーションからフレクソールプラスチサイザー4GOとして商業的に入手できる)である。
【0013】
本発明の非晶質ポリエーテル及び不活性可塑剤はHTBSに基づく配合物と比較してより高い相対極性を有するので、本発明の推進薬はかなり導電性であり、そしてそのHTPB対応物より高い絶縁破壊電位(電圧)を有する。結果として、静電気はより迅速に消散され、そして悲劇的な絶縁破壊及び他の静電的危険の可能性は本発明によって大きく減じられる。
【0014】
さらに、本発明の結合剤を含む推進薬は容易に消火できる。ポリエーテル及び可塑剤に含まれる酸素によって、酸素対燃料比(OMOX)は増加し、そして無機酸化剤(例えば過塩素酸アンモニウム)は効率的な燃焼のためにほとんど必要とされない。低レベルの無機酸化剤の使用はさらに迅速な消火に関係する。例えば、ER−1250/25ポリエーテル及びアセチルトリ−n−ブチルシトレートを含有する83%固体推進薬は15kpsi/秒(1000psiの室圧から)程度の低い減圧速度で消火される。対照的に、慣用のHTPB複合材料推進薬を消化するには少なくとも158kpsi/秒の減圧速度が必要である。より低いレベルの無機酸化剤の使用は不感受性軍需品試験(例えば弾丸衝撃)に対するより低い応答及び結果としての改善された安全性に関する。
【0015】
結合剤中の酸素の存在及び生じたより高いOMOXによって、高レベルの燃料(例えばアルミニウム粉末)を推進剤中に組み込むことができ、そしてその密度は有意に上昇する。
【0016】
非晶質ポリエーテルも、ポリエチレングリコール(PEG)及びポリテトラヒドロフラン(PTHF)のような高度に結晶質のポリエーテルから造られた推進薬に対して非常に低い可塑剤レベル(可塑剤−ポリマー比0.3の推進薬が首尾よく配合される)の推進薬の配合を許容する。非晶質ポリエーテルは不活性可塑剤と安定な溶液を形成するが、PEGは強い可塑剤(高い爆発熱を有する材料)と共にのみ有用であり、そして可塑剤のポリマーに対する比が1.5より低いとゆっくりと結晶化して溶液から分離する。さらに、本発明のポリマーは、PEGを含む推進薬についてみとめられる問題である離液現象を起こさない。本発明の結合剤はPTHF含有結合剤のように結晶化せず、従って低温(0°Fより低い)における減少した歪み能力を受けない。本発明の推進薬は優秀な低温機械的性質を有する。
【0017】
非晶質ポリエーテルによって達成できる低い可塑剤レベルは、高い固体添加量及び結合剤を有する推進薬の配合を容易にする。89%程度に高い固体添加量で組成物が製造できる。これらの結合剤で達成可能な高い固体添加量は、密度を上昇することによって推進薬のすべての性能[すなわち容量力積(volumetric impulse)]を改善する。これらの推進薬はそれらの結合剤中に酸素を含むので、高レベルの燃料(例えばアルミニウム)も使用できる(同じOMOXにおいてHTPE推進薬と比較して)。これはより高い密度(性能)さえも提供する。
【0018】
非晶質ポリエーテル及び不活性可塑剤を含む本発明の一般的な組成範囲を次の表I中に示す。
【0019】
【表1】
本発明の推進薬は慣用の方法を使用して製造される。本発明の推進薬成分が合理的な時間互いに混合される限り、成分を互いに混合する特別の順序はない。好ましくは、本発明の推進薬は混合容器に次のものを順次加えることによって製造できる:
(1)結合剤成分(液体);
(2)固体酸化剤(増加的な添加);
(3)結合剤;
(4)固体燃料(増加的な添加);及び
(5)硬化触媒及び硬化剤(イソシアネート類)。
【0020】
一般に、結合剤を加えた後に配合物を真空下に混合する。混合温度は典型的に80〜140°Fである。この手順は特定の成分に依存して変化する。
【0021】
次の実施例は本発明を例示し、そして類似のHTPB推進薬と本発明を比較する。部数及び百分率は他に特定しない限り重量による。
【0022】
【実施例1】
明細書中に記述した好ましい手順と同様に製造した宇宙空間ブースター用の推進薬配合物は下記の表2に示す組成を有した。下記の表3において本配合物の性質を88%固体分HTPB推進薬と比較した。本発明の推進薬は103〜104倍の大きさでさらに導電性(すなわち、容積抵抗率が88%固体分HTPB推進薬よりも低い。)であることがみいだされた。結果として、HTPB推進薬と比較して静電放電(ESD)発火(悲劇的な絶縁破壊)に対してはるかに低い感受性であった。また、本発明のより高い導電率はその配合物についてのより高い誘電率に反映されている。本発明の推進薬について示されるより高い正味重量は本配合物のより高い密度による。
【0023】
【表2】
【表3】
【0024】
【実施例2】
明細書において記述した好ましい手順と同様に製造した地上発射短距離弾道ミサイル用の83%固体分推進薬配合物は表4中に示す組成を有した。この推進薬は、表5に示すように比較の88%固体分HTPB推進薬より容易に消火し得る。すなわち、本発明の推進薬は15,000psi/秒の減圧速度において消火されたが、HTPBに基づく推進薬は158,000psi/秒の速度を必要とした。さらに、本発明の推進薬は、種々の不感受性軍需品試験(弾丸衝撃、緩速自然発射(slow cookoff)、急速自然発射及び共鳴爆発)を通過した。本発明の推進薬は弾丸衝撃に対して全く反応しないのに対してHTPBに基づく推進薬は完全に燃焼したことが最も注目に値する。
【0025】
【表4】
【表5】
【0026】
【実施例3】
明細書において記述した好ましい手順と同様に製造した空中発射短距離攻撃ミサイル用の87%固体分推進薬は表6に示す組成を有した。表7に示すように、この推進薬はより低いIspを有するが、典型的な88%固体分HTPB推進薬よりも非常に高い密度及び容積力積を有した。
【0027】
【表6】
【表7】
本発明を特定の態様に関して記述したが、これらは本発明を限定しようとするものではなく、そして本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更と修正が可能であることが理解されるべきである。
Claims (6)
- 酸化剤、燃料、結合剤を含んで成る固体推進薬組成物であって、
結合剤が推進薬組成物の全重量基準で
(a)1000〜9000の分子量を有する非晶質ポリエーテル3〜12%、及び
(b)正の爆発熱を有しない可塑剤1〜12%
を含んで成り、
該可塑剤が9より大きいかまたは等しい溶解パラメーターを有し、そして
該可塑剤が、トリアセチン、アセチルトリ−n−ブチルシトレート、アセチルトリエチルシトレート、トリエチレングリコールビス−2−エチルブチレート及びテトラエチレングリコールビス−2−エチルヘキソエートから選択される、
前記の固体推進薬組成物。 - 結合剤が負の爆発熱を有する、請求項1に記載の固体推進薬組成物。
- 推進薬が、接着剤、燃焼速度添加剤、掃去剤及び触媒から選択される少なくとも1つの添加剤をさらに含んで成る、請求項1に記載の固体推進薬組成物。
- 非晶質ポリエーテルが、エチレンオキサイドとテトラヒドロフランとのランダムコポリマーから選択される、請求項1に記載の固体推進薬組成物。
- ランダムコポリマーがエチレンオキサイド部分の含量15〜40%を有し、そして分子量が1000〜3000である、請求項4に記載の組成物。
- 燃料がアルミニウム、マグネシウム、及びジルコニウム粉末並びにそれらの混合物から選択される、請求項1〜5のいずれかに記載の組成物。
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JP22029594A JP3795089B2 (ja) | 1994-09-14 | 1994-09-14 | 非晶質ポリエーテル/不活性可塑剤を含む固体推進薬 |
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JPH0881293A JPH0881293A (ja) | 1996-03-26 |
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JP4621474B2 (ja) * | 2004-10-19 | 2011-01-26 | 旭化成ケミカルズ株式会社 | 固体推進薬組成物 |
-
1994
- 1994-09-14 JP JP22029594A patent/JP3795089B2/ja not_active Expired - Lifetime
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