JPH09507209A - 反動型ミサイル推進システムの実施方法及びミサイル推進システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 反動型ミサイル推進システムの実施方法と、この方法を実施するための推進システムが開示される。この推進システムは、水素化ケイ素化合物の水素に対する酸化剤の存在下で、水素化ケイ素化合物を、窒素及び／又は窒素化合物と高温にて反応させることによって行われる。窒素及び酸化剤は、好ましくは地球の大気から取り込むことができ、これにより、水素化ケイ素化合物に対する酸化剤をミサイルに装備する必要がなくなる。燃焼される水素化ケイ素化合物としては、シランオイル類が好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】 反動型ミサイル推進システムの実施方法及びミサイル推進システム 本発明は、反動型(reaction-type)ミサイル推進システムの実施方法に関する ものである。更に、本発明は、このようなミサイル推進システムの形成に関する ものでもある。 ロケット技術においては、高い比インパルス(specific impulse)を必要とする 場合に、推進剤として通常は液体水素が使用され、これは、例えば液体酸素など の酸化剤や液体フッ素と（大気圏の外で）反応する。しかし、これらの推進剤の 組み合わせを用いると高い比インパルスにはなるが、反対に、推進剤成分のため の大容量の容器が必要となり、しかも、これを貯蔵するために特別な費用が必要 となる。このように容器の容積が大きくなるのは、前述の推進剤の組み合わせが 低い密度であるためであり、これは主に水素が原因である。貯蔵のための特別な 費用がかかるのは、これらの推進剤成分が非常に低い沸点を有していることに起 因する。 上述の欠点を解消するために、ロケット推進剤として、水素化ケイ素とシリコ ンアミンとの使用が既に提案されてきている（ドイツ公開公報 22 31 008号）。 これに関連してテトラシラン（Ｓｉ₄Ｈ₁₀）が挙げられている。しかしながら、 テトラシランは極めて自己可燃性で、簡単な方法では製造することができない。 してDE 42 15 835 C2 において提案されてきた。このようなシランオイル類の製 造についてはドイツ特許 21 39 155号に記載されており、これには特にＳｉ₅Ｈ_{1 2} からＳｉ₁₀Ｈ₂₂までの油状混合物の製造法が記載されている。驚くべきことに 、このシランオイル類は取扱性の点で安全であり、しかも、これらは高比重、か つ高エネルギーであるためにロケット推進剤として特に適している。このように 取 扱性の点で安全であるということは驚くべきことである。なぜなら、低級シラン 類は、極めて危険なために推進剤として使用することができないからである。 しかしながら、これらの提案による場合にあっても、シランオイル類は、液体 酸素、液体塩素又はフッ素と一緒に燃焼されるために、この場合にも本質的に酸 化剤が常に装備されなければならないということが常に生じてくる。 地球の大気圏内におけるミサイルの推進に関しては、更にジェットエンジンが 知られている。ジェットエンジンは、酸化剤として大気中の酸素を使用するので 、特殊な酸化剤を装備する必要がないという利点を有している。しかしながら、 このような場合には、不活性ガスとして空気中に含まれている窒素（８０％）が 、共加速され、かつ共加熱されなければならない。インパルス式ｐ＝ｍ・ｖによ れば、燃焼ガスの速度は温度に依存するので、この方法における出力は制限され 、技術的にもはや高めることができない。 本発明の目的は、特に高い効率であるという特徴を有した、ミサイルの反動型 推進システムの実施方法を提供することである。 このような目的は、水素化ケイ素化合物を、窒素及び／又は窒素化合物と、燃 焼室内で水素化ケイ素化合物の水素に対する酸化剤の存在下で、高い温度にて反 応させることによって達成される。 Ｎ₂分子は、その三重結合にもかかわらず、非常に不活性で、電子衝撃、例え ば雷雨における電子衝撃でのみ結合が開き、酸素と反応して窒素酸化物を形成す る傾向がある。しかしながら、１４００℃以上の高温の窒素は、細かく分散され たシリコンと反応して、シリコン窒化物Ｓｉ₃Ｎ₄を形成する。この窒素燃焼の理 由は、シリコンが炭素とは対照的に、二重結合又は三重結合の中に入ることがで きないという事実に見い出すことができる。窒素は、水素化ケイ素化合物と特に 良好な反応性を示す。本発明は、このような認識を利用し、しかも、水素化ケ イ素化合物との反応のための窒素又は窒素化合物を計画的に使用しており、これ によって、特に効率的な推進システムが得られるのである。窒素は、大量に随所 に、特に大気中に存在しており、そのために低コストで高効率となる。 特殊な利点は、地球の大気中の窒素が反応のために使用される場合に得られる 。この場合には、ミサイルに、水素化ケイ素化合物のための酸化剤を装備する必 要かない。なぜなら、地球の大気の約８０％が窒素（Ｎ₂）から成るためである 。従って、この方法の種々の変形例では、空気、特に圧縮空気は、ミサイルの燃 焼室内に導入され、水素化ケイ素化合物との反応を引き起こす。 水素化ケイ素化合物、特にシランオイル類が圧縮空気と共に燃焼する際、酸素 部分が、以下の式に従ってシラン鎖の水素と反応する。 ４Ｈ ＋ Ｏ₂ ＝ ２Ｈ₂Ｏ この水素−酸素−燃焼の場合、温度が約３０００℃にまで達する。この温度は 、圧縮空気の供給によって送られるＮ₂分子を分解するのに充分なものである。 以下の式： ４Ｎ ＋ ３Ｓｉ ＝ Ｓｉ₃Ｎ₄ に従って、窒素ラジカルは、この際、非常に活性なフリーのシリコン原子を攻撃 する。シリコン窒化物が形成され、これは１１７の分子量を有し、よって、二酸 化炭素のほぼ３倍の重さである。従って、これに相当する反発効果は、従来技術 に比べて実質的に改良される。 もちろん、ここに挙げた反応は、対応した高温でのみ起こる。空気中では、強 熱後のシランオイル類は燃焼して、赤茶色の無定形一酸化ケイ素を生じさせるだ けである。というのは、この燃焼物質は、燃焼が急速であるために充分な酸素を 有していないからである。窒素との反応は起こらない。なぜなら、窒素は、これ らの条件の下ではいかなるフリーラジカルをも形成しないからである。 本発明の方法は、宇宙船を操作する際に使用できるだけでなく、地球の大気内 でミサイルを操作する際にも使用できる。第一の場合には、窒素と酸化剤は「酸 化剤」として装備されなければならず、これは、これらが宇宙には存在しないか らである。しかしながら、第二の場合には、上述の如く、地球の大気中に存在す る窒素を使用することができ、その結果、地球の大気中の約２０％しか使用でき ない普通のジェットエンジンとは対照的に、このことによって本質的な利点が得 られる。というのは、燃焼のために大気の約２０％（Ｏ₂含有量）しか使用する 必要がないのではなく、更に約８０％（Ｎ₂含有量）も使用できるからである。 窒素燃焼により主に形成されるシリコン窒化物（Ｓｉ₃Ｎ₄）は、従来技術のジェ ットエンジンによって生じる二酸化炭素よりも実質的に大きな分子量を有してお り、これにより、推進システムの特に良好な効率が得られる。これは、前記イン パルス式によると速度だけでなくガスの質量も役割を果たすからである。 本発明の方法の改良によれば、空気の他に、窒素化合物が燃焼室内に導入され る。この方法の変更例は、効果的な窒素燃焼が高い高度において（大気の密度の 減少を伴って）維持される場合に特に好都合である。そして、例えば、液体Ｎ₂ Ｏ₄又は硝酸ＨＮＯ₃が燃焼室内に導入される。従って、応用分野によっては、本 発明は、好ましくは、地球の大気中に含まれる窒素が燃焼のために使用されるこ とをもたらす。しかしながら、これが存在しないか、あるいは制限されるように して存在するだけの場合には、窒素又は窒素化合物がミサイルに装備され、燃焼 のために使用される。 好ましくは、この反応は１４００℃以上の温度で引き起こされる。なぜなら、 この値以下では、水素化ケイ素化合物、特にシランオイル類の、窒素との反応燃 焼が、困難な方法でしか実現できないか、全く実現できないからである。好まし くは、地球の大気中の酸素部分と、水素化ケイ素化合物のシラン鎖の水素部分と の反応によって生じる水素−酸素−燃焼の間にもたらされる２５００〜３０００ ℃の高温で行う。 好ましくは、シランオイル類、特にＳｉ₅Ｈ₁₂からＳｉ₉Ｈ₂₀の鎖長を有するも のが水素化ケイ素化合物として使用される。このようなシランオイル類は、既に 述べたドイツ特許 21 39 155号に記載されている。驚くべきことに、このような 長い鎖のシラン類は空気中では自己可燃性がほとんどない。これらは、パラフィ ン油類と同様の粘度を有しており、工業的規模で簡単に製造できる。これらはポ ンプ送り可能なので、問題なく適当な燃焼室に供給することができる。 更に、本発明は、前述の方法を実施するためのミサイルの推進システムに関す るものである。この推進システムは、ロケット推進システムとして形成されてお り、燃焼室と、前記燃焼室内への水素化ケイ素化合物用供給ラインと、前記燃焼 室内へ窒素及び／又は窒素化合物を導くための供給ラインと、前記燃焼室内へ酸 化剤を導くための供給ラインを含むという特徴によって特徴付けられる。 好ましくは、窒素及び／又は窒素化合物及び／又は酸化剤のための供給ライン は、圧縮空気の供給源に接続される。この場合において、空気は、ミサイルの周 囲にある大気から適当に取り込まれ、コンプレッサーによって圧縮され、燃焼室 の中に導入される。この導入は、燃焼室の中に環状に行われるのが好ましく、一 方、水素化ケイ素化合物はこの環の中心に導入されることが好ましい。その上、 この推進システムは、公知のロケット推進システムとして形成され、燃焼ガス用 の対応する排気口を有しており、この排気口には、ガス速度を高めるためのスロ ットルが設けられている。 従って、本発明によって新規なスラストモーター(thrust motor)が提供され、 これは、ジェットエンジンと公知の液体ロケット推進システムとを混合したもの に相当する。本発明によって、両方の公知のシステムの利点が結合される。本発 明の推進システムは、反動原理又は反発作用原理に従って作用する。即ち、この システムは、ロケット推進システムと比較可能であり、その高い効率を利用して いるが、水素化ケイ素化合物の燃焼のために、大気中に存在する窒素を使用する ことが好ましく、これにより、特殊な酸化剤をミサイル内に装備する必要がなく なる。更に、一般的なジェットエンジンについての利点は、燃焼室内に機械的な エレメントを設けなくてよいという特徴にある。 この燃焼室のハウジングは、対応する高圧及び高温を考慮して設計される。こ れは冷却ジャケットを含んでいることが好都合である。内側室は、セラミックス 又は貴金属からなるライニングによって保護することができる。更に、燃焼室の ハウジングは、好ましくは少なくとも部分的にチタンから成っても良い。 水素化ケイ素化合物の水素原子（シラン鎖）が全て燃焼し、かつ、Ｎ₂分子が 分解するのに充分な高温となる燃焼のための充分なＯ₂が存在しない場合には、 必要であれば、Ｏ₂を好ましくは窒素酸化物として燃焼室の中に導入する。この 場合において、Ｏ₂は以下のＮ−反応のための「点火媒体(ignition medium)」と して作用する。 他の点では、燃焼室内への推進剤の導入は、燃焼室内の圧力及び温度に自動的 に応答して行われることが好ましい。 好ましくは、水素化ケイ素化合物は、シランオイル類として適当なポンプを用 いて燃焼室内に導入される。前述のように、このようなシランオイル類は、ポン プ送りされるのに適している。 以下では、本発明は、図面に関連した実施例によって詳細に説明される。これ らの図面は、（部分的に破断された）側面図及び水平断面図において、ミサイル の推進システムの設計を図式的に示すものである。 これらの図面から理解できるように、推進システム１は燃焼室２を含み、この ハウジング１１は、例えば金属又はセラミックスのような、適当な耐高温性材料 から成る。好ましくは、このハウジングは少なくとも部分的にチタンから成る。 このハウジングは、適当な冷却ジャケット１０によって取り囲まれている。 更に、この燃焼室は、公知のロケット推進システムの燃焼室として形成されて おり、図面における下端には排気口を有しており、この排気口には、燃焼ガスの 速度を増加させるための対応するスロットルが設けられている。 圧縮空気は図式的に６で示されているコンプレッサーによって圧縮され、圧縮 空気のための供給ライン４は燃焼室の中に通じている。この供給ライン４は、燃 焼室内に設けられ、かつ内側方向に向けられた複数のノズル出口９を有するリン グ８の中へ圧縮空気を供給し、このノズル出口９を通って、圧縮空気は燃焼室の 内部に導入される。更に、ポンプ７によって燃焼室内に導入されるシランオイル 類のための供給ライン３は、リング８の内部へ向かって燃焼室の中に通じている 。この導入は、適当な注入装置（図示されていない）により行うことができる。 圧縮空気の酸素部分は、Ｈ₂Ｏの形成のためにシラン鎖の水素と反応する。対 応する水素−酸素−燃焼により、Ｎ₂分子を分解するために充分に高い温度とな る。そして、フリーな窒素ラジカルが、フリーなシリコン原子を攻撃し、これに よって、所望の窒素燃焼が生じる。Ｓｉ₃Ｎ₄が形成される。充分な空気が存在し ない場合には、図式的に導管５により示されるようにして、例えばＮＯ₂又はＨ ＮＯ₃のような他の窒素化合物を燃焼室内に導入することができる。 従って、先に示したように、本発明の方法では、シリコン原子との反応のため の窒素と、水素化ケイ素化合物の水素原子との反応のための酸化剤とが必要であ る。両方の成分は、混合物として又は化合物として、分離された状態で水素化ケ イ素化合物に添加することができる。空気のような混合物として添加することが 特に好ましい。というのは、空気は大気中に存在しているからである。この場合 には、上述の如く、酸化剤として空気中の酸素が使用される。しかしながら、酸 化剤と窒素を供給するために化合物を添加することもできる。このために、既に 先に述べたように例えば、窒素酸化物（ＮＯx）を使用することができ、この化 合物は、窒素と同様に酸化剤として対応する酸素を供給する。他の好ましい化合 物はテトラフルオロヒドラジンであり、この化合物は、必要とされる窒素だけで なく、必要とされる酸化剤、即ちフッ素も供給する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．燃焼室内において、水素化ケイ素化合物の水素に対する酸化剤の存在下で、 水素化ケイ素化合物を、窒素及び／又は窒素化合物と高温にて反応させることを 特徴とする反動型ミサイル推進システムの実施方法。 ２．前記反応のために、地球の大気の窒素を使用することを特徴とする請求項１ 記載の方法。 ３．前記燃焼室内に、前記窒素を圧縮空気として導入することを特徴とする請求 項１又は２記載の方法。 ４．前記燃焼室内に、空気の他に窒素化合物を導入することを特徴とする請求項 ２又は３記載の方法。 ５．水素化ケイ素化合物として、シランオイル類を使用することを特徴とする前 記請求項いずれか１項に記載の方法。 ６．Ｓｉ₅Ｈ₁₂（ペンタシラン）からＳｉ₉Ｈ₂₀（ノナシラン）の鎖長を有するシ ランオイル類を使用することを特徴とする請求項５記載の方法。 ７．前記窒素及び／又は窒素化合物と、水素化ケイ素化合物との反応を誘導及び ／又は維持するために、前記燃焼室内に前記酸化剤を導入することを特徴とする 前記請求項いずれか１項に記載の方法。 ８．前記燃焼室の圧力及び温度に応答して、前記燃焼室内への、前記水素化ケイ 素化合物、窒素及び／又は窒素化合物及び／又は酸化剤の導入を自動的に行うこ とを特徴とする前記請求項いずれか１項に記載の方法。 ９．前記請求項いずれか１項に記載の方法を実施するための推進システムであっ て、前記推進システムが、ロケット推進システム(1)として設計されており、し かも、燃焼室(2)と、前記燃焼室(2)内へ水素化ケイ素化合物を誘導するための供 給ライン(3)と、前記燃焼室(2)内へ窒素及び／又は窒素化合物を誘導するための 供給ライン(4)と、前記燃焼室内へ酸化剤を誘導するための供給ラインを含むこ とを特徴とする推進システム。 10．窒素及び／又は窒素化合物及び／又は酸化剤のための前記供給ライン(4)が 、圧縮空気の供給源に接続されていることを特徴とする請求項９記載の推進シス テム。 11．水素化ケイ素化合物のための供給ライン(3)が、シランオイル類の供給源に 接続されていることを特徴とする請求項９又は１０記載の推進システム。 12．前記窒素及び／又は窒素化合物及び／又は酸化剤が、前記燃焼室(2)内に、 環状に導入されることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の推進 システム。 13．前記燃焼室(2)が冷却ジャケット(10)を含むことを特徴とする請求項９〜１ ２のいずれか１項に記載の推進システム。 14．前記燃焼室のハウジングが、少なくとも部分的にチタンから成ることを特徴 とする請求項９〜１３のいずれか１項に記載の推進システム。