特許 5914511 推進薬組成物、その作製方法、およびその使用方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5914511

(24)【登録日】2016年4月8日

(45)【発行日】2016年5月11日

(54)【発明の名称】推進薬組成物、その作製方法、およびその使用方法

(51)【国際特許分類】

   C10L 1/04 20060101AFI20160422BHJP

   C10L 1/12 20060101ALI20160422BHJP

   F02K 9/42 20060101ALI20160422BHJP

【ＦＩ】

   C10L1/04

   C10L1/12

   F02K9/42

【請求項の数】20

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2013-540012(P2013-540012)

(86)(22)【出願日】2011年11月17日

(65)【公表番号】特表2013-545843(P2013-545843A)

(43)【公表日】2013年12月26日

(86)【国際出願番号】US2011061181

(87)【国際公開番号】WO2012068369

(87)【国際公開日】20120524

【審査請求日】2014年10月24日

(31)【優先権主張番号】12/949,980

(32)【優先日】2010年11月19日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】13/295,268

(32)【優先日】2011年11月14日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】505036674

【氏名又は名称】トータル・マーケティング・サービシーズ

(74)【代理人】

【識別番号】100087941

【弁理士】

【氏名又は名称】杉本 修司

(74)【代理人】

【識別番号】100086793

【弁理士】

【氏名又は名称】野田 雅士

(74)【代理人】

【識別番号】100112829

【弁理士】

【氏名又は名称】堤 健郎

(74)【代理人】

【識別番号】100142608

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 由佳

(72)【発明者】

【氏名】ケリー・ケビン

【審査官】 小久保 敦規

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１０／０３３１８３（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 米国特許第０５６１６８８２（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５００２６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００６−５２８２６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−１１８６８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 M. Billingsley, et al.，Extent and Impacts of Hydrocarbon Fuel Compositional Variability for Aerospace Propulsion Systems，46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit，25 July 2010 - 28 July 2010，REPORT DATE: 12 July 2010

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ１０Ｌ １／０４

Ｃ０６Ｄ ５／００

Ｆ０２Ｋ ９／４２

Ｆ０２Ｋ ９／２８

ＣＡｐｌｕｓ（ＳＴＮ）

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロケット推進薬を製造する方法であって、少なくとも２種の炭化水素流体を組み合わせることを含む方法であって、前記ロケット推進薬が、５０ｗｔ％を超える量のイソパラフィンを含んでいることを特徴とする方法。

【請求項2】

請求項１に記載の方法において、前記ロケット推進薬が、ＲＰ−１規格を満たすことを特徴とする方法。

【請求項3】

請求項１に記載の方法において、前記炭化水素流体の、ＡＳＴＭ Ｄ−１２９８で測定した比重が、６０℃で０．７６０〜０．８２５であることを特徴とする方法。

【請求項4】

請求項１に記載の方法において、前記炭化水素流体の、ＡＳＴＭ Ｄ−１２９８で測定した比重が、６０℃で０．７９０〜０．８１であることを特徴とする方法。

【請求項5】

請求項１に記載の方法において、前記炭化水素流体の、ＡＳＴＭ Ｄ−５６２３で測定した硫黄濃度が、３ｐｐｍ未満であることを特徴とする方法。

【請求項6】

請求項１に記載の方法において、前記炭化水素流体の、ＡＳＴＭ Ｄ−１３１９で測定した芳香族化合物含有量が、１ｖｏｌ％未満であることを特徴とする方法。

【請求項7】

請求項６に記載の方法において、前記炭化水素流体の、ＡＳＴＭ−１３１９で測定した芳香族化合物含有量が、０．０１ｖｏｌ％未満であることを特徴とする方法。

【請求項8】

請求項１に記載の方法において、前記炭化水素流体の、ＡＳＴＭ−１３１９で測定したオレフィン含有量が、０．１ｖｏｌ％未満であることを特徴とする方法。

【請求項9】

請求項１に記載の方法において、前記炭化水素流体の、ＡＳＴＭ Ｄ−３３４３で測定した水素含有量が、１３〜１５ｗｔ％であることを特徴とする方法。

【請求項10】

請求項１に記載の方法において、前記炭化水素流体の、ＡＳＴＭ Ｄ−９３で測定した引火点が、１３０〜２２５°Ｆであることを特徴とする方法。

【請求項11】

請求項１に記載の方法において、前記ロケット推進薬の、ＡＳＴＭ Ｄ−３３４３で測定した水素含有量が、１４．２５〜１５ｗｔ％であることを特徴とする方法。

【請求項12】

請求項１１に記載の方法において、前記ロケット推進薬の、ＡＳＴＭ Ｄ−３３４３で測定した水素含有量が、１４．８〜１５ｗｔ％であることを特徴とする方法。

【請求項13】

請求項１に記載の方法において、前記ロケット推進薬の、ＡＳＴＭ Ｄ−２４０で測定した真燃焼熱が、１８，５００ＢＴＵ／ｌｂ超であることを特徴とする方法。

【請求項14】

請求項１３に記載の方法において、前記ロケット推進薬の、ＡＳＴＭ Ｄ−２４０で測定した真燃焼熱が、１８，５００〜１９，０００ＢＴＵ／ｌｂであることを特徴とする方法。

【請求項15】

請求項１に記載の方法において、前記ロケット推進薬の、ＡＳＴＭ Ｄ−１２９８で測定した密度が、１５℃で０．７９９〜０．８１５であることを特徴とする方法。

【請求項16】

請求項１に記載の方法において、前記炭化水素流体の少なくとも１種が、ノルマルパラフィンから構成されることを特徴とする方法。

【請求項17】

請求項１に記載の方法において、前記ロケット推進薬の、ＡＳＴＭ−１３１９で測定した芳香族化合物含有量が、０．０１ｖｏｌ％未満であることを特徴とする方法。

【請求項18】

請求項１に記載の方法において、前記炭化水素流体のいずれも、ＲＰ−１規格を満たさないことを特徴とする方法。

【請求項19】

請求項１に記載の方法において、前記ロケット推進薬が、粉末金属をさらに含むことを特徴とする方法。

【請求項20】

請求項１９に記載の方法において、前記粉末金属が、アルミニウムであることを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一般に、推進薬配合物に関する。詳細には、本開示は、特定の特性を有するロケット推進薬を製造するための炭化水素流体の組合せに関する。

【背景技術】

【0002】

現在、ロケット推進薬は、液体酸素と組み合わされて、かなりの割合の打上げ機およびロケットにおいて推進系として使用されている。しかし、供給が限られており、その結果、燃料配合物を最適化する機会がほとんどない。さらに、限られた供給により、供給不足または欠乏した場合、余剰在庫がほとんどまたは全くないことになる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

したがって、代替の推進薬配合物を開発する必要がある。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本開示のある種の実施形態では、少なくとも２種の炭化水素流体を組み合わせることを含むロケット推進薬の製造方法を開示する。

【図面の簡単な説明】

【0005】

【図1】従来から製造されているＲＰ−１推進薬の蒸留曲線を示す。

【図2】ブレンドストックの蒸留曲線を示す。

【図3】配合された推進薬の蒸留曲線データを示す。

【図4】配合された推進薬の密度データを示す。

【図5】ブレンドストックの蒸留曲線データを示す。

【図6】配合された推進薬の蒸留曲線を示す。

【図7】配合された推進薬の密度データを示す。

【図8】配合された推進薬の減量化を示す。

【図9】配合された推進薬の水素含有量を示す。

【図10】配合された推進薬の真燃焼熱を示す。

【図11】配合された推進薬の蒸留曲線データを示す。

【図12】配合された推進薬および従来から製造されているＲＰ−１推進薬の蒸留曲線を示す。

【発明を実施するための形態】

【0006】

（序論および定義）
本発明の詳細な説明を行う。添付の特許請求の範囲の各々は別々の発明を規定しており、これらは権利侵害の目的で、当該特許請求の範囲の各々に規定された様々な要素または限定に対する等価物を含むものとして認識される。以下の開示は特定の実施形態、変形、および実施例を含むが、本開示は、これらの実施形態、変形、または実施例に限定されず、本開示における情報を、入手可能な情報および技術と組み合わせた際に、当業者が開示の方法および物質組成物を作製かつ使用できるようにすることを含む。

【0007】

本明細書で使用する様々な用語を以下に示す。請求項で使用する用語が以下に定義されていない場合、その用語は、出願時における刊行物および交付済み特許の中に反映されているように、当業者がその用語に与えた最も広範な定義を与えられるべきである。さらに、別段の指定がない限り、本明細書に記載のすべての化合物は、置換されていても、置換されていなくてもよく、一覧の化合物にはそれらの誘導体が含まれる。

【0008】

さらに、様々な範囲および／または数値的な制限は、明示的に以下のように示すことができる。なお、いずれの範囲も、明示された範囲または制限内に入る同様な大きさの段階的な範囲（iterative range）を含むことを理解されたい。

【0009】

本発明の実施形態は、配合された推進薬に関する。対象となる機体は基本的に打上げ機およびロケットであるが、他の機体としては極超音速宇宙往還機（例えば、ラムジェットまたはスクラムジェットによって動力が供給される機体）などがある。ラムジェットは、一般に、ジェットの前進運動を利用して、流入する空気を圧縮するジェットエンジンであり、一般に、対気速度がゼロの場合、推力を生成できず、したがって、ジェット機を静止状態から動かすことができない。スクラムジェットは、ラムジェットの変形であり、燃焼プロセスが超音速気流中で行われる。

【0010】

ロケットは、高速でロケットの後ろに質量を放出することによって推力を生成する。化学ロケットは、燃焼室において推進薬と液体酸素などの酸化剤とを反応させて、高速度ガスの流れを作り、それにより推力を生成する。これらの機体の現在の有効搭載量は、推進薬の密度およびエネルギー含量によってかなり制限されている。

【0011】

ロケット推進薬の比推力（Ｉｓｐ）は、生成された推力と推進薬の燃焼室中への質量流量とを関連付けるパラメータである。比は、燃焼室温度の平方根に比例し、燃焼室内の分子量の平方根に反比例する。したがって、比推力は、燃焼室温度の上昇（燃焼室圧力がより高圧になる）および燃焼生成物の分子量の減少（より重い生成物よりも高速の排出速度を実現する）によって増加する。比推力は、本質的にモーメント項である。所与の時間内に燃焼する燃料の質量を増大させるか、または排出ガスの速度を増加させると、一般に、比推力に有益な効果がもたらされる。より高い比推力が望ましく、それは所与の重量の燃料が燃焼される際により大きな推力が生成されるためである。その結果、他の方法で可能となりうるよりも、より大きな有効搭載量を軌道に打ち上げることができ、または高い軌道を実現できる。

【0012】

推進薬の現行ユーザーの多くは、「ＲＰ−１」規格を満たす推進薬（以下、「ＲＰ−１推進薬」と称す）を使用している。硫黄含有量を気にする他のユーザーは、ＲＰ−２規格を満たす推進薬を使用する必要がある。ＲＰ−１およびＲＰ−２推進薬に関連するいくつかの化学的および物理的性質の規格を以下の表１に示す。

【0013】

【表1】

【0014】

従来から、ＲＰ−１推進薬は、ジェット燃料に類似している高度に精製されたケロシンである。ケロシンは、一般に、石油を１４０℃〜２５０℃で分別蒸留して、炭素原子１０〜２５個の炭素鎖長を有する分子の混合物として得られる。例えば、ＲＰ−１推進薬は、約１７５の平均分子量、約０．８２ｇ／ｍｌの密度、３５０°Ｆ（１７６℃）〜５２５°Ｆ（２７３℃）の沸点範囲を有し得る。理論的には、ほとんどの石油原油は十分に処理すればいくつかのＲＰ−１推進薬を生成できるが、実際には、燃料は、より低品質な原油の精製に伴う費用および困難のために、一般に高品質なベースストックを有する少数の油田から調達される。

【0015】

ＲＰ−１推進薬を製造する従来の方法と異なり、本発明の推進薬は、１種または複数の炭化水素流体をブレンドすることによって、配合された推進薬である。

【0016】

本明細書では、用語「炭化水素流体」は、同等に広範囲な用途で使用される広範囲の材料を表す一般的な意味で使用される。本明細書に記載の配合された推進薬に一般に利用される炭化水素流体は、いくつかの処理によって製造できる。例えば、炭化水素流体は、硫黄および他のヘテロ原子を除去する過酷な水素化処理、深度水素化処理、もしくは水素化分解、または重合化もしくはオリゴマー化処理から製造でき、こうした処理の後に蒸留を行って、狭い沸点範囲のものに分別する。ある場合には、流体中のイソパラフィンまたはパラフィンの濃度を増大させるために、化学的または物理的分離などの追加ステップがあってもよい。さらに、オリゴマー化由来のイソパラフィンが、炭化水素流体を構成してもよい。

【0017】

ある種の炭化水素流体は、米国特許第７，３１１，８１４号および米国特許第７，０５６，８６９号に記載されており、これらを参照により本明細書に組み込む。燃料と異なり、炭化水素流体は、例えば、５００°Ｆ（２６０℃）未満、３００°Ｆ（１４８℃）未満または１００°Ｆ（３７℃）未満の狭い沸点範囲を有する傾向がある。留分がこのように狭いと、引火点範囲がより狭くなり、粘度がより高くなり、粘度安定性が向上し、例えば、蒸留曲線に示されるように、蒸留規格が規定される。

【0018】

ある種の実施形態では、炭化水素流体は、減圧軽油留出物を水素化分解し、続いて、水素化分解した減圧軽油を分留および／または水素化することによって製造できる。こうした流体は、２１２°Ｆ（１００℃）〜７５２°Ｆ（４００℃）のＡＳＴＭ Ｄ８６による沸点範囲を有してもよく、個々の炭化水素流体は、本明細書に記載された、より狭い沸点範囲を有してもよい。流体はさらに、例えば、少なくとも４０ｗｔ％、少なくとも６０ｗｔ％または少なくとも７０ｗｔ％のナフテン含有量を有してもよい。流体はさらに、例えば、２ｗｔ％未満、１．５ｗｔ％未満または１．０ｗｔ％未満の芳香族化合物含有量を有してもよい。流体はさらに、例えば、２１２°Ｆ（１００℃）未満、２０５°Ｆ（９６℃）未満または２００°Ｆ（９３℃）未満のアニリン点を有してもよい。

【0019】

ある種の実施形態では、炭化水素流体は、例えば、３０ｐｐｍ未満、１５ｐｐｍ未満または３ｐｐｍ未満の低硫黄濃度を有していてもよく、または、例えば、１．０ｖｏｌ％未満、０．５ｖｏｌ％未満または０．０１ｖｏｌ％未満の芳香族化合物含有量を有していてもよく、比較的高い真燃焼熱を有していてもよく、狭い蒸留範囲を有していてもよい。さらに、炭化水素流体の処理および生成の方法に応じて、炭化水素流体は、主要な化合物として（例えば、４０ｗｔ％超、５０ｗｔ％超または６０ｗｔ％超または８０ｗｔ％超）、パラフィン系、イソパラフィン系、またはナフテン系として特徴づけることができる。こうした特徴づけは、非常に低い密度および／または高い真燃焼熱を実現するためにブレンド時に有用となり得るが、こうした特徴づけは推進薬の配合の必要条件ではない。

【0020】

様々な炭化水素流体を特徴づけるいくつかの例示的で非限定的な化学的および物理的性質の範囲を以下の表２に示す。

【0021】

【表2】

【0022】

炭化水素流体は、最終の使用要件を満たす材料を生じ得る任意の適切な出発材料から誘導され得る。上述の軽油の場合のように、出発材料が最終生成物の沸点範囲に入る必要がないことに留意されたい。したがって、炭化水素流体を製造する出発材料は、例えば、軽油または他の高分子量材料（低分子量材料にするためにさらに水素化分解されるか、もしくは硫黄含有量を減少させるために深度水素化される高分子量材料など）、留出物として通常分類される材料（例えば、ケロシン、直留ディーゼル、超低硫黄ディーゼル、十分な水素処理をしたコーカーディーゼルなど）、またはＦＣＣ装置からのライトサイクル油であってもよい。出発材料は、ガス液化処理またはバイオマス変換処理からのケロシンまたは軽油であってもよい。十分に水素処理して、酸素を除去した後、ある種の実施形態では、バイオディーゼルおよびバイオジェットを出発材料として使用する。一般に、バイオディーゼルおよびバイオジェットは、水素処理により、酸素が除去される。ある種の実施形態では、処理後にＣ_１２〜Ｃ_１８の範囲の炭素鎖を生じるトリグリセリドを出発材料として使用する。バイオディーゼルおよびバイオジェットは、植物源由来でも動物源由来でもよい。さらに、出発材料は、炭化水素流体を生じるオレフィンや、重合化またはオリゴマー化されたポリオレフィンでもよい。１種または複数の実施形態では、出発材料として、例えば、プロペン、ブテン、またはそれらの組合せを含んでもよい。オレフィンは、ナフサクラッカーなど従来の資源から製造されてもよい。あるいは、本開示のある種の実施形態では、オレフィンは、低炭素数アルコール（低級アルコール）を脱水して製造する。低炭素数アルコールは、様々なバイオマス発酵プロセスを経て製造できる。ある種の実施形態では、炭化水素流体は、軽油、ケロシン、直留ディーゼル、超低硫黄ディーゼル、コーカーディーゼル、ライトサイクル油、水素脱ろう軽油もしくはケロシン留分、エチレン、プロペン、ブテン、またはそれらの組合せを含んでいてもよい。

【0023】

１種または複数の実施形態では、炭化水素流体は、一般に、Ｃ_９〜Ｃ_１８またはより狭い蒸留留分から選択された成分である。ブレンドにより配合された推進薬を形成できる炭化水素流体を特徴づける蒸留留分の具体的で非限定的な例としては、ＳＰＩＲＤＡＮＥ（登録商標）［例えば、Ｄ−４０｛密度が約０．７９０ｇ／ｍＬ、沸点範囲が３５６°Ｆ〜４１９°Ｆ（１８０〜２１５℃）、引火点が１０７．６°Ｆ（４２℃）｝、Ｄ−６０｛密度が約０．７７０ｇ／ｍＬ、沸点範囲が３１１°Ｆ〜３９２°Ｆ（１５５〜２００℃）、引火点が１４５°Ｆ（６２℃）｝］、ＫＥＴＲＵＬ（登録商標）［例えば、Ｄ−７０｛密度が約０．８１７ｇ／ｍＬ、沸点範囲が３８１°Ｆ〜４６２°Ｆ（１９３〜２３８℃）、引火点が１６０°Ｆ（７１℃）｝、Ｄ−８０｛密度が約０．８１７ｇ／ｍＬ、沸点範囲が３９７°Ｆ〜４６５°Ｆ（２０２〜２４０℃）、引火点が１７０．６°Ｆ（７７℃）｝］、ＨＹＤＲＯＳＥＡＬ（登録商標）（例えば、Ｇ２３２Ｈ）、およびＴＯＴＡＬ ＦＬＵＩＤＥＳ，Ｓ．Ａ．から市販されるＩＳＡＮＥ ＩＰ（登録商標）流体、ＥｘｘｏｎＭｏｂｉｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｒｐ．から市販されるＩＳＯＰＡＲ（商標）流体、および出光興産（株）から市販されるＩＰ２８３５が挙げられる。

【0024】

本開示で提供する情報および方法を用いて、炭化水素流体のブレンドにより特定の所望の特性を有する推進薬を配合することが可能である。１種または複数の実施形態では、配合された推進薬は、２種以上の炭化水素流体を含む。例えば、いくつかの実施形態では、配合された推進薬は、２種の炭化水素流体を含む。他の諸実施形態では、配合された推進薬は、３種の炭化水素流体を含む。さらに他の諸実施形態では、配合された推進薬は、４種の炭化水素流体を含む。個々の炭化水素流体は、推進薬への配合に関して、各々がロケット燃料ブレンドの最終性質にどのように寄与するかに応じて選択される。

【0025】

１種または複数の実施形態では、特定の蒸留曲線または特定の蒸留曲線の態様を示すように、推進薬を配合する。例えば、ある種の実施形態では、配合された推進薬が、表１に指定した燃料蒸発温度で規定された範囲の下限値、および表１に規定した終点またはそれ以下の温度を有することができる。このような場合、複数の炭化水素流体をブレンドして、「燃料蒸発温度（留出温度）」および「終点」に関するＲＰ−１規格を満たすように配合された推進薬を作製できる。

【0026】

ブレンドされる個々の炭化水素流体に関しては、各々が、所望の規格内の特定の流体特性、例えば、終点や燃料蒸発温度などを有する必要はない。すなわち、推進薬は、それ自体は所望の規格を満たしていない広範囲の炭化水素流体を用いて配合され得る。さらに、既知のジェット燃料配合物を炭化水素流体に組み込むことができる。こうした組合せの利用によって、より広範に調整された性質の配分が実現可能である。例えば、具体的で非限定的な配合された推進薬は、所望の規格よりも高い終点を有する第１炭化水素流体と、所望の規格よりも低い終点を有する第２炭化水素流体とをブレンドしてものであってもよく、このブレンドにより所望の規格内に入る終点を実現することができる。さらに、個々の炭化水素流体を選択することによって、許容されるマージン内の所望の蒸留曲線を再現することが可能である。

【0027】

ある種の状況では、単一の炭化水素流体、例えば、ＲＰ−１など特定の推進薬規格の蒸留範囲内、または重複する範囲内にある炭化水素流体などを推進薬として使用できるが、２種以上の流体を組み合わせると、所望の蒸留曲線全体への密接な一致を可能にする方法の自由度がより大きくなる。例えば、ＲＰ−１推進薬の蒸留曲線の規格内の２点、例えば、１０％点および終点と一致した場合であれば、規格内になるようにＲＰ−１推進薬曲線全体と一致させる必要はない可能性がある。しかし、２種以上の炭化水素流体を組み合わせることで、所望の蒸留曲線とより密接に一致する配合された推進薬を実現することが可能であり、それによって、例えば、性能の向上または性能の標準化がなされる。

【0028】

炭化水素流体をブレンドして、蒸留曲線上のある点、例えば、１０％点や終点などに到達させることができる。それに加えて、炭化水素流体をブレンドして、多数の他の特性を実現することもできる。例えば、炭化水素流体をブレンドして、流動点、曇点、氷結点、および粘度などのコールドフロー特性を有する配合された推進薬を実現できる。他の諸実施形態では、炭化水素流体をブレンドして、密度、水素含有量、および真燃焼熱などある種の推進性能特性を実現できる。

【0029】

一例として、いくつかの実施形態では、ＲＰ−１推進薬規格の１４０°Ｆ（６０℃）より低い引火点を有する炭化水素流体を、最終ブレンドの引火点を規格より降下させない量に限ってだが、配合に使用できる。同様に、最終的な氷結点がＲＰ−１推進薬の規格値より低くなるならば、最大規格の−６０°Ｆ（−５１℃）より高い氷結点を有する流体、例えば、少量の芳香族化合物を有するものなどをブレンド中に含めることができる。

【0030】

芳香族化合物が低減／除去された炭化水素流体を使用すると、推進薬に別の利益がもたらされる。ある種の実施形態では、炭化水素流体成分中の芳香族化合物量を低減させると、ブレンドストックとして使用される炭化水素流体成分の真燃焼熱がより高くなる。ある種の実施形態では、これらの高い真燃焼熱を有する炭化水素流体を組み合わせると、ＲＰ−１推進薬の最小規格１８，５００ＢＴＵ／ｌｂを超える生成物が生じる。本開示のある種の実施形態では、真燃焼熱は、ＡＳＴＭ Ｄ−２４０で測定すると、１８，５００ＢＴＵ／ｌｂ〜１９，０００ＢＴＵ／ｌｂである。本開示の他の実施形態では、真燃焼熱は、ＡＳＴＭ Ｄ−２４０で測定すると、１８，７００ＢＴＵ／ｌｂ〜１８，９００ＢＴＵ／ｌｂである。さらに、芳香族化合物が除去または低減された炭化水素流体を使用すると、配合された推進薬の炭化水素含有量を増大させることもできる。

【0031】

さらに、イソパラフィン系のブレンドストックの真燃焼熱は、同じ炭素数を有する芳香族化合物またはナフテン系化合物よりも大きいので、イソパラフィン系のブレンドストックをブレンドに含ませた場合、真燃焼熱の上昇を促進できる。ノルマルパラフィン系のブレンドストックもまた、真燃焼熱を上昇させることができる。

【0032】

様々なブレンドストックは、様々な燃焼速度を有していてもよい。一般に、ロケットエンジンの設計者は、火炎面が、ロケットエンジンにおいて所望の速度で確実に伝播するようにする観点から、特定の燃焼範囲または速度を好む。燃焼速度が速すぎると、エンジン中の所望の場所より前で燃焼が完了してしまう可能性がある。燃焼速度が遅すぎると、逆の問題が生じる可能性がある。一般に、ノルマルパラフィンは、燃焼速度が非常に速い。イソパラフィンは、一般に、燃焼速度がノルマルパラフィンより遅い。本開示のある種の実施形態では、ブレンドストックのイソパラフィン／ノルマルパラフィン比を制御して、配合された推進薬の燃焼速度の最適化を実現する。

【0033】

密度は、機体が持ち上げるべき燃料の重量を決定するので、推進薬の重要なパラメータである。所望の蒸留曲線の範疇で、炭化水素流体を選択して、最終ブレンドの密度を変更できる。例えば、ナフテン系流体は、最終密度を上昇させる傾向があり、イソパラフィン流体は、最終生成物の密度を低下させる傾向がある。大量のナフテンを含有し、ＲＰ−１などの推進薬規格と比べて蒸留曲線の上端（high end）にある材料、例えばＨＹＤＲＯＳＥＡＬＳ（登録商標）などは、ブレンド生成物の密度を増大させるのに使用されてもよい。本開示のある種の実施形態では、１５℃での密度は、Ｄ−１２９８で測定すると、０．７７〜０．８２、０．７９９〜０．８１５、０．８１〜０．８１３５、または０．７７〜０．８０である。

【0034】

したがって、１種または複数の実施形態は、２種以上の炭化水素流体のうちの少なくとも１種としてイソパラフィン炭化水素流体を利用する。１種または複数の実施形態では、推進薬は、例えば、０．８ｇ／ｍｌ超の密度を有する第１炭化水素流体、および０．８ｇ／ｍｌ未満の密度を有する第２炭化水素流体を含むことができる。配合された推進薬は、例えば、ＲＰ−１推進薬の重量よりも約５％少ない、約７％少ないまたは約９％少ない重量を有してもよい。

【0035】

推進薬の水素含有量は、推進薬の性能に著しい効果がある。一般に、水素含有量が高いほど、推進薬のＩｓｐが高くなる。ある種の実施形態では、排出分子量を低く維持するために、燃焼生成物としてＣＯ_２ではなくＣＯを生じるように、ロケットエンジンをわずかに燃料リッチな状態で動かす。より多くの原子が所与の炭素数の化合物に存在するので、水素含有量の増加と共に、推進薬の燃焼に必要な酸化剤の量（混合比）もまた増加する可能性がある。具体的には、燃料中の炭素に対する水素の比が増加すると、燃料に対する化学量論的な酸素の比が増加する。したがって、より多くのモル数のガスが、燃焼生成物として排出ノズルから放出される。そのガス中の追加されたモル数が水に関する場合、排出ガスの平均分子量は減少する。さらに、かなりの量のＯＨおよび水素原子の分子フラグメントが形成され、燃焼室から放出される。これらの割合はまた、炭素に対する水素の比の増加と共に増加し、さらに排出ガスの平均分子量を減少させる可能性がある。

【0036】

本開示のある種の実施形態では、配合された推進薬の水素含有量は、炭化水素流体中のブレンドストックにおける分子中の炭素原子に対する水素の比を増加させることによって制御される。例えば、環を減少させたり、分岐させたり、炭化水素分子の水素飽和度を増加させると、水素／酸素原子の比が増加し、それによって、推進薬の水素含有量が増加する。炭化水素流体のブレンドストック中の芳香族化合物を除去または減少させると、水素含有量が著しく増加する可能性がある。本開示のロケット推進薬のいくつかの実施形態における水素含有量は、ＡＳＴＭ Ｄ−３３４３で測定すると、１４．２５〜１５ｗｔ％、１４〜１４．８ｗｔ％、１５．３ｗｔ％未満、または１４．８〜１５ｗｔ％である。

【0037】

一般に、ブレンドされた推進薬で使用される炭化水素流体は、硫黄濃度が非常に低い。硫黄は、真燃焼熱の低下および汚染の増加などの様々な形で推進薬の性能に悪影響を及ぼす。したがって、いくつかの実施形態では、配合された推進薬は、硫黄含有量が、従来のＲＰ−１推進薬と比較して著しく低減されている。例えば、配合された推進薬は、３０ｐｐｍ未満または５ｐｐｍ未満の硫黄を含む可能性がある。他の諸実施形態では、配合された推進薬は、３ｐｐｍ未満の硫黄または１ｐｐｍ未満の硫黄を含有する。

【0038】

配合された推進薬からオレフィンおよび芳香族化合物を実質的に除去すると、配合された推進薬は、従来から製造されているＲＰ−１推進薬より向上した熱的安定性を示す。本明細書に記載の機体で利用するエンジンは、排出ノズルの周りに冷却コイルを備えることができる。このノズルを通って、タンクからの燃料が燃焼室に注入される。冷却コイルは、主に、推進薬中に存在する芳香族化合物および／またはオレフィンのために、定期的に汚染される。したがって、配合された推進薬は、例えば、冷却コイルの汚染を、無くならないにしても、著しく減少させるので、ブースター段を有するロケットエンジンまたはロケットモータの再使用を可能にする燃料を提供する。

【0039】

従来から製造されているＲＰ−１推進薬は、ブースター段と上段のどちらでも使用できる。しかし、上段では、ＲＰ−１の密度および性能の問題のために、より高エネルギーの燃料を含ませる、または完全に使用することが一般的である。本開示の利益を受ける当業者が理解できるように、配合された推進薬の性能パラメータを操作することによって、本開示と一致する配合された推進薬は、上段において、単独で、またはより高エネルギーの燃料と組み合わせて使用できる。本開示のある種の実施形態では、配合された推進薬を、金属酸化物を形成できる粉末金属と組み合わせて、より高レベルの比推力を実現できる。このような金属の一例は、アルミニウムである。

【0040】

本開示の配合により推進薬は、従来のＲＰ−１推進薬の有効性／性能の問題を克服する。すなわち、既存の炭化水素流体をブレンドすることにより、従来から製造されているＲＰ−１推進薬より優れていないかもしれないが、性質および費用において少なくとも対等な推進薬を製造することができる。さらに、本開示の推進薬の配合を調整することによって、従来から製造されるＲＰ−１から得られるよりも高レベルの比推力（Ｉｓｐ）を維持する能力を示しつつ、所望の密度、水素含有量、および燃焼熱などの性質を提供できる。

【0041】

さらに、配合された推進薬が、例えば、染料、酸化防止剤、金属不活性化剤、およびそれらの組合せなど様々な添加剤を含有できることが企図される。

【実施例】

【0042】

従来から製造されているＲＰ−１推進薬のサンプルおよび様々に配合された推進薬のサンプルを、ＡＳＴＭ Ｄ−８６、密度、アニリン点、曇点、硫黄含有量、および芳香族化合物含有量（ＦＩＡ法）に関して分析した。蒸留曲線および密度を使用して、ＡＳＴＭ Ｄ−３３４３による水素含有量を計算した。蒸留曲線、密度、アニリン点、硫黄含有量、および芳香族化合物含有量を使用して、ＡＳＴＭ Ｄ−４５２９による真燃焼熱を計算した。比較の基準として、従来から製造されているＲＰ−１推進薬のサンプルを入手、分析し、それらの結果を以下のデータに示した。ＡＳＴＭ Ｄ−４５２９に応じて、密度を１５℃で測定した。これは真燃焼熱を推定するものである。続いて、配合された各推進薬の密度測定を同基準で行った。後者を使用して、真燃焼熱を計算した。

【0043】

従来から製造されているＲＰ−１推進薬では、硫黄含有量が、最大の３０ｐｐｍよりかなり低かった。曇点を氷結点の代わりに測定した（氷結点は曇点よりも低い）。水素含有量をＡＳＴＭ Ｄ−３３４３の実験式を使用して計算した。これには、密度、蒸留曲線、および芳香族化合物含有量を利用する。値は１４．２７％であり、規格の１３．８％（ｗｔ）を超えていた。さらに、水素含有量をわずかに減少させる少量の芳香族化合物およびオレフィンが、それぞれ１．２２および１．１０％（ｖｏｌ）存在した。Ｃ_１２〜Ｃ_１８ケロシン留分の理論上最大の水素含有量は、１４．９〜１５．３％である。高度に水素化されたケロシンとして、従来から製造されているＲＰ−１推進薬はまた、ナフテン環の存在を特徴とする。この水素含有量１４．３％は、１分子当たりの単一ナフテン環と一致していた。従来から製造されているＲＰ−１推進薬の蒸留曲線を図１に示す。複数の線を、ＲＰ−１推進薬の蒸留曲線規格を示すために挿入した。ＲＰ−１規格では、１０％点は、３６５°Ｆ（１８５℃）〜４１０°Ｆ（２１０℃）に達しなければならず、終点は、５２５°Ｆ（２７３℃）未満でなければならない。上述のように、従来から製造されているＲＰ−１推進薬は、Ｃ_１２〜Ｃ_１８の範囲の炭素数化合物からなる狭い留分である。蒸留％と共に温度が徐々に上昇するのは、複数の炭素数化合物の複合混合物を示すものである。

【0044】

配合された推進薬中で使用するために分析した材料は、ＳＰＩＲＤＡＮＥ（登録商標）Ｄ−４０、ＳＰＩＲＤＡＮＥ（登録商標）Ｄ−６０、ＫＥＴＲＵＬ（登録商標）Ｄ−７０、ＫＥＴＲＵＬ（登録商標）Ｄ−８０、ＨＹＤＲＯＳＥＡＬ（登録商標）Ｇ２３２Ｈ、ＩＳＡＮＥ ＩＰ（登録商標）１７５、およびＩＳＡＮＥ ＩＰ（登録商標）１８５であった。これらの成分の蒸留曲線を図２に示す。データを、従来から製造されているＲＰ−１推進薬の蒸留曲線と相対的に示す。「そのまま」、すなわち、配合せずに使用した場合、従来から製造されているＲＰ−１推進薬に十分密接に一致する個々の成分はなかった。それぞれの成分は、Ｇ２３２Ｈのように沸点がより高いか、Ｄ−６０のように沸点がより低いか、またはＤ−８０のように沸点範囲がより狭いことを特徴とするものであった。しかし、ブレンド成分の特質をこのように組み合わせることによって、推進薬の蒸留曲線の前端（初留点）、中央点、および後端（終点）をＲＰ−１規格と一致するように調整できるので、ブレンドに自由度を与える。あるいは、ブレンド用成分を適切に選択することで、蒸留曲線または他の性質に関する推進薬の様々な特性を最適化できる。

【0045】

ＩＳＡＮＥ ＩＰ（登録商標）材料を除いたすべての成分の密度測定値は、従来から製造されているＲＰ−１推進薬の密度に近かった。ＩＳＡＮＥ ＩＰ（登録商標）材料は、従来から製造されているＲＰ−１推進薬より低密度であることを特徴とした。ＩＳＡＮＥ ＩＰ（登録商標）材料を含むこれらの成分の真燃焼熱および水素含有量は、従来から製造されているＲＰ−１推進薬と同等であった。

【0046】

成分データを収集した後、各成分を配合して推進薬を作製した。諸成分が組み合わさると互いにどのような影響を及ぼすかを評価するために、いくつかのプロトタイプブレンドを作製した。３種のプロトタイプを作製し、プロト−６、プロト−７、およびプロト−８と称した。プロト−６は、ＲＰ−１規格と一致するように設計した。プロト−７はブレンドを平均した沸点がＰＲ−１規格より低くなるように、およびプロト−８は平均した沸点がＲＰ−１規格よりも高くなるように設計された。後者の２種を作製して、蒸留曲線の限界を超えた場合、ＳＰＩＲＤＡＮＥ（登録商標）、ＫＥＴＲＵＬ（登録商標）、およびＨＹＤＲＯＳＥＡＬ（登録商標）ベースの材料など現行のブレンド成分によりどのような範囲の密度および他の性質が達成可能であるかを判断した。プロトタイプのブレンド配合物を表３に示す。

【0047】

【表3】

【0048】

プロト−６、プロト−７、プロト−８、および従来から製造されているＲＰ−１推進薬の蒸留曲線データを図３に示す。１０％点および終点についてのみ参照すると、ＲＰ−１規格を満たす蒸留曲線の許容範囲は広い。３種のプロトタイプはすべてこの規格を満たした。プロト−８は、平均した沸点が高くなるように設計され、１０％点が規格限界と一致する４１０°Ｆであった。３種すべての終点が、最大の５２５°Ｆ（２７３℃）より低かった。プロト−７は、設計により、それよりかなり低い４６５°Ｆ（２４０℃）であった。

【0049】

軽質のＤ−６０成分の濃度を高くすると、プロト−７の蒸留曲線の位置が試験した他のすべてのものより低くなることが示された。同様に、重質成分Ｇ２３２Ｈの濃度を高くすると、プロト−８の蒸留曲線が他のすべてのものより高くなった。

【0050】

すべての配合物の曇点データが氷結規格の−６０°Ｆ（−５１℃）より低くなり、すべてが許容可能な氷結点を有することが示された。前述したように、従来から製造されているＲＰ−１推進薬の硫黄含有量を波長分散Ｘ線蛍光法によって測定すると１ｐｐｍであった。プロトタイプ配合物では、この方法の検出限界である０．５〜０．６ｐｐｍが測定された。これらの値は、ＲＰ−２配合物の最大限界の０．１ｐｐｍに非常に近い。密度測定値は、従来から製造されているＲＰ−１推進薬の密度に非常に近かったが、わずかに高く、それでもＲＰ−１の規格内にあった。これは、従来から製造されているＲＰ−１推進薬の密度よりわずかに大きいブレンドストックの密度と一致していた。密度測定値を図４で比較する。

【0051】

ＩＳＡＮＥ ＩＰ（登録商標）１７５および１８５は、密度が、従来から製造されているＲＰ−１推進薬よりも著しく低いことを特徴とするが、引火点は、ＲＰ−１規格と同じまたは高い。これらの各々の密度は、０．７７ｇ／ｍｌ未満であり、他のブレンド成分および従来から製造されているＲＰ−１推進薬と比べて著しく低下していた。さらに、水素含有量を測定すると１５．１〜１５．２ｗｔ％の範囲であった。これは、Ｃ_１２〜Ｃ_１８の、ナフテン環を有さない完全に飽和したサンプルの理論値と一致しており、これらの材料の分析証明書に報告される典型的な値に見られるとおりである。

【0052】

従来から製造されているＲＰ−１推進薬の蒸留曲線データを、ある種の炭化水素流体と比較して、図５に示す。新規な材料は、非常に狭い留分であり、終点が４００°Ｆ（２０４℃）より低い。そのため、ＲＰ−１推進薬配合物を作製するためには、中質から重質の留分の使用を必要とする。さらに、蒸留曲線の初留点は非常にクリーンであった。これは、極めて軽質で引火点が低い化合物がほとんど存在せず、それにより、配合物の軽質部分にとってこれらが理想的なブレンド成分であることを示した。新規な成分を用いて配合したプロトタイプブレンドをプロト−９〜プロト−１２と称した。これらのブレンドの組成を表４に示す。

【0053】

【表4】

【0054】

新規な配合物に対応する蒸留曲線を図６に示す。プロト−９は、従来から製造されているＲＰ−１推進薬蒸留曲線と密接に一致した。プロト−１１は、配合物中のＩＳＡＮＥ ＩＰ（登録商標）１７５の濃度がかなり高いことから分かるように、低密度の推進薬になるように設計された。プロト−１０およびプロト−１２は、中沸点化合物をより大きな割合で含むように配合し、Ｄ−７０とＤ−８０の蒸留曲線への寄与の差を調べた。示すように、差は、使用量のわりには微小であった。

【0055】

図７において、より低沸点の成分とイソパラフィンとの交換があることによる直接的な効果を密度測定値に見ることができる。密度の階段状変化は明白である。低密度ブレンドのプロト−１１を測定すると０．７７４４ｇ／ｍｌであった。ブースター段（第１段）に２８，５００ガロン、第２段に６，５００ガロンの燃料を有する２段機体を仮定した場合、低密度プロトタイプの使用により減じた重量を図８に示す。従来から製造されているＲＰ−１推進薬の蒸留曲線を模倣するプロト−９において減じた上段の重量は、軌道有効搭載量のほぼ７％である。この減量は、低密度のプロト−１１では約９％である。これにより有効搭載量が大きく増加する。

【0056】

プロトタイプの水素含有量を図９に示す。本質的にナフテン系である化合物のいくつかが完全に飽和したイソパラフィンと交換された場合、水素含有量が、従来から製造されているＲＰ−１推進薬の模倣物であるプロト−９では約１４．９ｗｔ％に、低密度配合物であるプロト−１１では１５ｗｔ％に純増した。これは、従来から製造されているＲＰ−１推進薬サンプルと比べて著しい増加であった。

【0057】

プロトタイプの真燃焼熱を図１０に示す。

【0058】

上記のプロト配合物に加えて、プロト−２０を配合した。プロト−２０は、プロト−６およびプロト−９と同様に、従来から製造されているＲＰ−１推進薬に関連する蒸留曲線と妥当な限界範囲内で一致するように設計された。図１１は、４種の配合物すべての蒸留曲線を示す。ただし、プロト−２０は、密度、水素含有量、および真燃焼熱がプロト−６とプロト−９との中間になるように設計された。したがって、プロト−２０は、密度が１５℃で０．８００１、水素含有量が１４．５１ｗｔ％、真燃焼熱が１８，７３６ＢＴＵ／ｌｂである。

【0059】

６０００ガロンのプロト−６を商用規模設備で調製した。図１２に示すように、商用規模設備で製造したプロト−６の割合で配合された推進薬からサンプルを取り、サンプル（「商用ＲＰブレンド」とラベル表示）の蒸留曲線を、従来から製造されているＲＰ−１推進薬（ＲＰ−１とラベル表示）および実験室レベルで配合したプロト−６（「プロト−６」）の蒸留曲線と比較した。図１２に示すように、商用規模設備に拡大しても、実験室規模で実施したものとほぼ同一の蒸留曲線が得られた。表５は、これらの３種の推進薬の追加データを示す。

【表5】

【0060】

本明細書に記載した方法および装置を特に示し、その例示の実施形態を参照することによって記載したが、当業者によって形式および詳細のさまざまな変更が行われ得ることを理解されたい。
なお、本発明は、実施の態様として以下の内容を含む。
［態様１］
ロケット推進薬を製造する方法であって、少なくとも２種の炭化水素流体を組み合わせることを含む方法。
［態様２］
態様１に記載の方法において、前記ロケット推進薬が、ＲＰ−１規格を満たすことを特徴とする方法。
［態様３］
態様１に記載の方法において、前記炭化水素流体の、ＡＳＴＭ Ｄ−１２９８で測定した比重が、６０℃で０．７６０〜０．８２５であることを特徴とする方法。
［態様４］
態様１に記載の方法において、前記炭化水素流体の、ＡＳＴＭ Ｄ−１２９８で測定した比重が、６０℃で０．７９０〜０．８１であることを特徴とする方法。
［態様５］
態様１に記載の方法において、前記炭化水素流体の、ＡＳＴＭ Ｄ−５６２３で測定した硫黄濃度が、３ｐｐｍ未満であることを特徴とする方法。
［態様６］
態様１に記載の方法において、前記炭化水素流体の、ＡＳＴＭ Ｄ−１３１９で測定した芳香族化合物含有量が、１ｖｏｌ％未満であることを特徴とする方法。
［態様７］
態様６に記載の方法において、前記炭化水素流体の、ＡＳＴＭ−１３１９で測定した芳香族化合物含有量が、０．０１ｖｏｌ％未満であることを特徴とする方法。
［態様８］
態様１に記載の方法において、前記炭化水素流体の、ＡＳＴＭ−１３１９で測定したオレフィン含有量が、０．１ｖｏｌ％未満であることを特徴とする方法。
［態様９］
態様１に記載の方法において、前記炭化水素流体の、ＡＳＴＭ Ｄ−３３４３で測定した水素含有量が、１３〜１５ｗｔ％であることを特徴とする方法。
［態様１０］
態様１に記載の方法において、前記炭化水素流体の、ＡＳＴＭ Ｄ−９３で測定した引火点が、１３０〜２２５°Ｆであることを特徴とする方法。
［態様１１］
態様１に記載の方法において、前記ロケット推進薬の、ＡＳＴＭ Ｄ−３３４３で測定した水素含有量が、１４．２５〜１５ｗｔ％であることを特徴とする方法。
［態様１２］
態様１１に記載の方法において、前記ロケット推進薬の、ＡＳＴＭ Ｄ−３３４３で測定した水素含有量が、１４．８〜１５ｗｔ％であることを特徴とする方法。
［態様１３］
態様１に記載の方法において、前記ロケット推進薬の、ＡＳＴＭ Ｄ−２４０で測定した真燃焼熱が、１８，５００ＢＴＵ／ｌｂ超であることを特徴とする方法。
［態様１４］
態様１３に記載の方法において、前記ロケット推進薬の、ＡＳＴＭ Ｄ−２４０で測定した真燃焼熱が、１８，５００〜１９，０００ＢＴＵ／ｌｂであることを特徴とする方法。
［態様１５］
態様１に記載の方法において、前記ロケット推進薬の、ＡＳＴＭ Ｄ−１２９８で測定した密度が、１５℃で０．７９９〜０．８１５であることを特徴とする方法。
［態様１６］
態様１５に記載の方法において、前記ロケット推進薬の、ＡＳＴＭ Ｄ−１２９８で測定した密度が、１５℃で０．７９９〜０．８１５であることを特徴とする方法。［態様１７］
態様１に記載の方法において、前記炭化水素流体の少なくとも１種が、イソパラフィンから構成されることを特徴とする方法。
［態様１８］
態様１に記載の方法において、前記炭化水素流体の少なくとも１種が、ノルマルパラフィンから構成されることを特徴とする方法。
［態様１９］
態様１に記載の方法において、前記ロケット推進薬の、ＡＳＴＭ−１３１９で測定した芳香族化合物含有量が、０．０１ｖｏｌ％未満であることを特徴とする方法。
［態様２０］
態様１に記載の方法において、前記炭化水素流体のいずれも、ＲＰ−１規格を満たさないことを特徴とする方法。
［態様２１］
態様１に記載の方法において、前記ロケット推進薬が、粉末金属をさらに含むことを特徴とする方法。
［態様２２］
態様２１に記載の方法において、前記粉末金属が、アルミニウムであることを特徴とする方法。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】