知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022087139
(43)【公開日】2022-06-09
(54)【発明の名称】ハイブリッドロケット用グレイン及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
F02K 9/14 20060101AFI20220602BHJP
C10L 5/00 20060101ALI20220602BHJP
【ＦＩ】
F02K9/14
C10L5/00
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
【公開請求】
(21)【出願番号】P 2022052948
(22)【出願日】2022-03-29
(71)【出願人】
【識別番号】000122313
【氏名又は名称】株式会社ユポ・コーポレーション
(74)【代理人】
【識別番号】100116850
【弁理士】
【氏名又は名称】廣瀬 隆行
(74)【代理人】
【識別番号】100165847
【弁理士】
【氏名又は名称】関 大祐
(72)【発明者】
【氏名】西尾 潤
(57)【要約】
【課題】製造の容易性を維持しつつ燃焼時の推力を向上させたハイブリッドロケット用グレインを提供する。
【解決手段】ハイブリッドロケット用グレイン１０は、グレイン１０の断面円における半径方向に向かって複数層に亘って積層された固体燃料１１と、固体燃料１２の各層を隔てる可燃性の隔壁１２を含み、隔壁１２は、平板状シートと波状シートが両者の接触点において接合された片段シートにより構成されている。
【選択図】図２
【解決手段】ハイブリッドロケット用グレイン１０は、グレイン１０の断面円における半径方向に向かって複数層に亘って積層された固体燃料１１と、固体燃料１２の各層を隔てる可燃性の隔壁１２を含み、隔壁１２は、平板状シートと波状シートが両者の接触点において接合された片段シートにより構成されている。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ハイブリッドロケット用グレインであって、
前記グレインの断面円における半径方向に向かって複数層に亘って積層された固体燃料と、
前記固体燃料の各層を隔てる可燃性の隔壁を含み、
前記隔壁は、平板状シートと波状シートが両者の接触点において接合された片段シートにより構成されている
グレイン。
前記グレインの断面円における半径方向に向かって複数層に亘って積層された固体燃料と、
前記固体燃料の各層を隔てる可燃性の隔壁を含み、
前記隔壁は、平板状シートと波状シートが両者の接触点において接合された片段シートにより構成されている
グレイン。
【請求項2】
前記隔壁は、前記波状シートが内向きとなるように配置されている
請求項１に記載のグレイン。
請求項１に記載のグレイン。
【請求項3】
前記隔壁は、前記片段シートを巻回することにより構成されたものである
請求項１に記載のグレイン。
請求項１に記載のグレイン。
【請求項4】
前記隔壁は、円筒状の前記片段シートを複数層に亘って配置することにより構成されたものである
請求項１に記載のグレイン。
請求項１に記載のグレイン。
【請求項5】
前記グレインの周方向に前記固体燃料の収納空間を区画するために前記半径方向に沿って形成された可燃性の仕切り壁をさらに含む
請求項１に記載のグレイン。
請求項１に記載のグレイン。
【請求項6】
前記固体燃料は、前記隔壁の間に充填されたものである
請求項１に記載のグレイン。
請求項１に記載のグレイン。
【請求項7】
前記固体燃料は、棒状であり、
前記片段シートのうち、前記平板状シートと波状シートの接合部分を谷部、前記波状シートが前記平板状シートから乖離した部分を山部とした場合に、前記固体燃料は、２つの前記山部の間の前記谷部に挿入されている
請求項１に記載のグレイン。
前記片段シートのうち、前記平板状シートと波状シートの接合部分を谷部、前記波状シートが前記平板状シートから乖離した部分を山部とした場合に、前記固体燃料は、２つの前記山部の間の前記谷部に挿入されている
請求項１に記載のグレイン。
【請求項8】
前記グレインの最も内側に位置する前記固体燃料の層よりも、前記グレインの最も外側に位置する前記固体燃料の層の方が酸素含有率が高い
請求項１に記載のグレイン。
請求項１に記載のグレイン。
【請求項9】
前記グレインは、その中心軸方向に沿って延びるように一又は複数の燃焼空間が形成されている
請求項１に記載のグレイン。
請求項１に記載のグレイン。
【請求項10】
ハイブリッドロケット用グレインの製造方法であって、
平板状シートと波状シートを両者の接触点において接合した可燃性の片段シートを製造する工程と、
固体燃料を巻き込みながら前記片段シートを巻回するか、又は、前記片段シートを巻回した後に当該片段シートがなす層内に前記固体燃料を挿入することにより、前記グレインの半径方向に向かって複数層に亘って固体燃料を積層する工程と、を含む
製造方法。
平板状シートと波状シートを両者の接触点において接合した可燃性の片段シートを製造する工程と、
固体燃料を巻き込みながら前記片段シートを巻回するか、又は、前記片段シートを巻回した後に当該片段シートがなす層内に前記固体燃料を挿入することにより、前記グレインの半径方向に向かって複数層に亘って固体燃料を積層する工程と、を含む
製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ハイブリッドロケット用のグレイン（固体燃料製品）及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、ロケットエンジンの方式として、主に液体燃料ロケット、固体燃料ロケット、及びハイブリッドロケットの３種が知られている。ロケットが酸素濃度の低い空間で推力を得るためには、燃料とそれを燃焼させる酸化剤が必要となる。液体燃料ロケットは燃料と酸化剤が共に液体のものであり、固体燃料ロケットは燃料と酸化剤が共に個体のものであり、ハイブリッドロケットは燃料が固体で酸化剤が液体のものである。本願明細書では、この固体燃料製品全体を「グレイン」と呼ぶ。
【0003】
ハイブリッドロケット用のグレインには一又は複数の燃焼空間が形成されている。ハイブリッドロケットは、グレインの燃焼空間に液体酸化剤を供給してグレインを燃焼させ、その燃焼現象により発生したガスをノズルから噴射することによって推力を得ることができる。ハイブリッドロケットは、固体燃料と液体酸化剤が構造的に分離されているため、液体燃料ロケットや固体燃料ロケットに比べて製造が容易であるとともに、固体燃料と液体酸化剤の管理がし易いことから、安全性が高く燃焼の制御も容易であるというメリットがある。一方で、ハイブリッドロケットは、例えば液体燃料ロケットと比べて比推力（単位重量の推進剤を使って得られる推力の力積）が低く、推力が出にくいというデメリットがある。このように、ハイブリッドロケットは、製造が容易で安全性と管理性に優れている反面、推力が低いものであることから、例えば弾道飛行中にデータを測定する観測ロケットのエンジンとして用いられることが多い。
【0004】
上記のようにハイブリッドロケットには推力が低いというデメリットがあるが、これを補うための工夫としては、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されているように、固体燃料自体を渦巻状に巻成するとともに各層の間に空隙を形成することが知られている。このように、渦巻状に巻成された固体燃料の層の間に空隙を設けることで、固体燃料の燃焼効率を高めることができ、大きな推力を発生させることが可能になるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開昭５５－１４４４９４号公報
【特許文献2】特開昭５５－１４４４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、特許文献１に記載の発明は、平板の固体燃料の片面に波板の固体燃料を重ねて一体化したものを渦巻状に巻成することとしているが、ある程度の厚み（例えば１ｍｍ）のある固体燃料自体を波板状に加工して平板と一体化することは困難を伴うものであり、製造が容易であるというハイブリッドロケットのメリットが損なわれるという問題がある。例えば平板と波板の接触部を低温の接着剤等で接着しなければならないが、このような接着剤を用いる場合には、接着剤が完全に固化するまで波板の形状を維持しなければならず、平板と波板が一体化したグレインを効率良く連続的に生産することが難しいという課題がある。
【0007】
また、特許文献２に記載の発明は、平板状の固体燃料の片面に突起状のスペーサを形成し、その固体燃料を渦巻状に巻成することとしているが、このような突起では固体燃料の各層の空隙を十分に確保することができないという問題がある。実際、特許文献２のように固体燃料の表面に形成された突起状のスペーサを形成しただけでは、特許文献１のように各層の空隙を維持することができない。その結果、特許文献２の構造では、燃焼効率向上の効果は限定的なものに留まると考えられる。
【0008】
そこで、本発明は、ハイブリッドロケット用のグレインにおいて、製造の容易性を維持しつつ、グレインの燃焼効率を高めて、燃焼時の推力を向上させることを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の発明者は、従来発明の問題を解決する手段について鋭意検討した結果、平板状シートと波状シートを接合した簡易な片段シートにより隔壁を構成し、この隔壁によって固体燃料の層間に空隙を形成することにより、製造が容易で燃料効率の高いグレインを提供することができる知見を得た。そして、本発明者は、上記知見に基づけば従来発明の問題を解決できることに想到し、本発明を完成させた。具体的に説明すると、本発明は以下の構成又は工程を含む。
【0010】
本発明の第１の側面は、ハイブリッドロケット用のグレイン１０に関する。本発明に係るグレイン１０は、固体燃料１１と隔壁１２を含む。このグレイン１０は、略円柱形であり、その中心軸Ａに沿って一又は複数の燃焼空間Ｓが形成されている。「略円柱形」とは、外周が閉じた断面円となっている円柱形（図６参照）に加えて、シートが渦巻状に巻回された実質的な円柱形（図２等参照）を含む。固体燃料１１は、グレインの断面円における半径方向Ｒに向かって複数層に亘って積層されている。固体燃料は、一体化されたものであってもよいし、複数に分離されたものであってもよい。隔壁１２は、固体燃料１１の各層をグレイン１０の半径方向Ｒに隔てる可燃性のものである。この隔壁１２は、平板状シート１３と波状シート１４が両者の接触点１５において接合された片段シートにより構成されている。なお、固体燃料１１と隔壁１２は、異なる材料で形成されていてもよいし、同じ材料で形成されていてもよい。
【0011】
上記構成のように、本発明に係るグレイン１０は、固体燃料１１に加えて、片段シートにより構成された可燃性の隔壁１２を備える。この点において、本発明に係るグレイン１０は、固体燃料自体が平板と波板とを一体化した片段構造のみからなる特許文献１に記載のグレインとは異なる。本発明において、片段構造の隔壁１２は、平板状シート１３と波状シート１４とが乖離した部分に空隙Ｖが形成されているため、この隔壁１２を固体燃料１１の間に差し込むことで、固体燃料１１の間の燃焼効率を向上させることができる。すなわち、グレイン１０の燃焼時の推力を向上させるには、グレイン１０の中心から外周に向かって固体燃料１１の燃焼表面が後退していく速度を上げることが重要となる。このとき、片段構造により空隙Ｖが形成された隔壁１２を固体燃料１１の層間に配置しておくことで、固体燃料１１の後退速度を上昇させることができる。また、この隔壁１２を構成する平板状シート１３と波状シート１４は、厚みを持たせる必要がないことから、それぞれ比較的薄いシート状にすることができる。このため、平板状シート１３と波状シート１４を接合した片段シートは、例えば公知の段ボール用のコルゲーターを利用して容易に加工及び製造することができる。さらに、隔壁１２を構成する片段シートは、渦巻状に巻回させたり、断面円形、断面四角形、その他断面多角形状など様々な形状に加工したりし易いものである。このように製造及び加工が容易な片段シートによって固体燃料１１を隔てる隔壁１２を構成することにより、グレイン１０の製造の容易性を維持しつつ、燃焼時の推力を向上させることが可能となる。
【0012】
本発明に係るグレイン１０において、隔壁１２は、波状シート１４が内向きとなるように配置されていることが好ましい。波状シート１４が内向きであることとは、すなわち、隔壁１２を構成する平板状シート１３と波状シート１４のうち、波状シート１４がグレイン１０の中心を向いている状態を意味する。このように、波状シート１４を内向きにして隔壁１２を配置することで、波状シート１４によって固体燃料１１を保持しやすくなる。また、この配置の場合、グレイン１０の外周面が平板状シート１３となる。これにより、グレイン１０の外周面がロケットエンジン１００のモーターケース２０（シリンダー）の内周面に密着しやすくなり、燃焼時に発生するガスがグレイン１０内を効率的に通過するようになる。特に、隔壁１２は片段構造であることから、その構造自体の圧縮回復力によってグレイン１０の外周面をモーターケース２０の内周面に密着させることができる。
【0013】
本発明に係るグレイン１０において、隔壁１２は、片段シートを渦巻状に巻回することにより構成されたものであってもよい。これにより、一枚の片段シートを用意すれば、簡単に隔壁１２を形成することができる。また、片段シートは容易に渦巻状に巻回することが可能である。
【0014】
本発明に係るグレイン１０において、隔壁１２、円筒状の片段シートを複数層に亘って配置することにより構成されたものであってもよい。すなわち、直径の異なる円筒状の片段シートを複数用意して、直径の大きい円筒の中に直径の小さい円筒を収めるように配置すればよい。このような構造によっても、簡単に隔壁１２を形成することが可能である。
【0015】
本発明に係るグレイン１０は、可燃性の仕切り壁１６をさらに含んでいてもよい。仕切り壁１６は、グレイン１０の周方向Ｃに固体燃料１１の収納空間を区画するために、グレイン１０の半径方向Ｒに沿って形成されている。このように仕切り壁１６を設けることで、固体燃料１１の位置ずれを防止できる。また、仕切り壁１６を設けることでグレイン１０の強度も向上する。仕切り壁１６は、前述した片段シートを渦巻状に巻回することにより隔壁１２を形成した実施形態と、円筒状の片段シートを複数層に亘って配置することにより隔壁１２を形成した実施形態のどちらにも適用することができる。また、仕切り壁１６は、単純な平板状であってもよいし、隔壁１２と同様に片段シート（片段構造）で構成されていてもよい。また、仕切り壁１６は、２枚の平板状シートにより一枚の波状シートを挟み込んで各シートの接触点を接合したトラス構造であってもよい。
【0016】
本発明に係るグレイン１０において、固体燃料１１は、隔壁１２の間に充填されたものであってもよい。充填とは、ある隔壁１２の波状シート１４とこれに対向する別の隔壁１２の平板状シート１３との間に固体燃料１１が実質的に隙間なく配置されている状態を意味する。例えば、片段シートの片面に固体燃料１１を載せて、その後固体燃料１１を巻き込みながら片段シートを巻回して隔壁１２を形成することにより、固体燃料１１は隔壁１２の間に充填された状態となる。あるいは、片段シートを巻回して隔壁１２を形成した後に、隔壁１２の間に固体燃料１１の材料を流し込んで固化させることによって、隔壁１２の間に固体燃料１１を充填することとしてもよい。このように隔壁１２の間に固体燃料１１を充填した場合であっても、隔壁１２自体が空隙Ｖを内包する片段構造であるため、固体燃料１１を効率良く燃焼させることができる。
【0017】
本発明に係るグレイン１０において、固体燃料１１は、棒状であってもよい。棒状には、円柱状の他、四角柱状、五角柱状、その他多角柱状が含まれる。この場合、片段シートのうち、平板状シート１３と波状シート１４の接合部分を谷部１４ａ、波状シート１４が平板状シート１３から乖離した部分を山部１４ｂとした場合に、固体燃料１１は、２つの山部１４ｂの間の谷部１４ａに挿入されていることが好ましい。なお、棒状の固体燃料１１は、片段シートの谷部１４ａの全てに挿入されている必要はなく、固体燃料１１が挿入されていない谷部１４ａが存在していても問題はない。例えば、片段シートの谷部１４ａに固体燃料１１を載せて、その後固体燃料１１を巻き込みながら片段シートを巻回して隔壁１２を形成することとしてもよい。あるいは、片段シートを巻回して隔壁１２を形成した後に、片段シートの谷部１４ａ間に固体燃料１１を挿入することとしてもよい。このように、片段シートの谷部１４ａの間に棒状の固体燃料１１を挿入することで、固体燃料１１同士の間の空隙Ｖを維持できるため、各固体燃料１１を効率良く燃焼させることができる。また、棒状の固体燃料１１を挿入する場合でも、グレイン１０内における固体燃料１１の位置ずれを防止できる。さらに、固体燃料１１を棒状することで、固体燃料１１全体の表面積が増えるため、固体燃料１１の燃焼速度を速めることができる。
【0018】
本発明に係るグレイン１０は、グレイン１０の最も内側に位置する固体燃料１１の層よりも、グレイン１０の最も外側に位置する固体燃料１１の層の方が酸素含有率が高いこととしてもよい。グレイン１０の燃焼が進むと固体燃料１１に対して酸化剤が不足する場合があるが、外側の層の固体燃料１１の酸素含有率を高く調整することで、酸化剤不足を補うことができる。
【0019】
本発明に係るグレイン１０は、その中心軸Ａ方向に沿って延びるように一又は複数の燃焼空間Ｓが形成されている。なお、グレイン１０の燃焼空間Ｓが一つである場合、その燃焼空間Ｓはグレイン１０の中心軸Ａ上に形成されていることが好ましい。一方、グレイン１０の燃焼空間Ｓが複数ある場合、それらの燃焼空間Ｓはグレイン１０の中心軸Ａと平行であればよく、必ずしも中心軸Ａ上に形成されている必要はない。また、別の実施形態では、燃焼空間Ｓは、グレイン１０内に螺旋状に形成されていてもよい。
【0020】
本発明の第２の側面は、ハイブリッドロケット用グレインの製造方法に関する。本発明に係る製造方法では、まず、平板状シート１３と波状シート１４を両者の接触点１５において接合した可燃性の片段シートを製造する（第１工程）。次に、固体燃料１１を巻き込みながら片段シートを巻回するか、又は、片段シートを巻回した後に当該片段シートがなす層内に固体燃料１１を挿入することにより、グレイン１０の半径方向Ｒに向かって複数層に亘って固体燃料１１を積層する（第２工程）。これにより、固体燃料１１の層の間には、片段シートにより構成された隔壁１２が形成されることとなる。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、製造の容易性を維持しつつ、燃焼時の推力を向上させたハイブリッドロケット用グレインを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【発明を実施するための形態】
【0023】
以下、図面を用いて本発明を実施するための形態について説明する。本発明は、以下に説明する形態に限定されるものではなく、以下の形態から当業者が自明な範囲で適宜変更したものも含む。
【0024】
図１は、ハイブリッドロケット１００の主要な構成要素を示している。図１に示されるように、ハイブリッドロケット１００は、グレイン１０、モーターケース２０、酸化剤タンク３０、噴射ノズル４０、及び火薬５０を含む。グレイン１０は、一般的に円筒状に形成されており、その内部に燃焼空間Ｓが形成されている。モーターケース２０は、グレイン１０を収容するための容器であり、グレイン１０燃焼時に発生する高圧ガスに耐え得る強度に設計されている。酸化剤タンク３０は、液状酸化剤が充填された容器であり、モーターケース２０の前端側に接続されており、グレイン１０の燃焼空間Ｓ内に液状酸化剤を供給する。液状酸化剤の例は、液体酸素及び亜酸化窒素である。噴射ノズル４０は、グレイン１０の燃焼により発生したガスの噴射口として機能するものであり、モーターケース２０の後端側に接続されている。火薬５０は、グレイン１０の燃焼空間Ｓ内に配置されている。
【0025】
ハイブリッドロケット１００を打ち上げる際には、酸化剤タンク３０内の液状酸化剤をグレイン１０の燃焼空間Ｓに供給すると共に火薬５０に着火する。これにより、火薬５０を最初の熱源、液状酸化剤に含まれる酸素を支燃物として、グレイン１０（可燃物）が燃焼を開始する。グレイン１０が燃焼するとモーターケース２０内にガスが発生し、モーターケース２０内の圧力が所定以上となると燃焼ガスが噴射ノズル４０から噴射される。これによりハイブリッドロケット１００に推力が与えられる。グレイン１０の燃焼は、燃焼空間Ｓが徐々に広がるように、中心から外周に向かって進行する。グレイン１０が全て燃焼するか、酸化剤タンク３０内の液状酸化剤がなくなると、グレイン１０の燃焼は終了する。なお、酸化剤タンク３０からグレイン１０への液状酸化剤の供給を停止することによっても、グレイン１０の燃焼を停止させることができる。
【0026】
本発明は、主に上記ハイブリッドロケット１００内に含まれるグレイン１０に関するものである。ただし、本発明の範囲をグレイン１０を備えたハイブリッドロケット１００に広げることも可能である。その場合、前述したモーターケース２０、酸化剤タンク３０、液体酸化剤、噴射ノズル４０、及び火薬５０についてはそれぞれ公知のものを採用できる。以下では、グレイン１０について詳細に説明する。
【0027】
図２から図４は、本発明の第１の実施形態に係るグレイン１０を示している。図２に示されるように、グレイン１０は、固体燃料１１と隔壁１２を含む。図２から図４に示されるように、グレイン１０は、略円柱状に形成され、その中心に燃焼空間Ｓが設けられている。また、図４では、円柱状のグレイン１０の中心軸を符号Ａで示し、半径方向を符号Ｒで示し、周方向を符号Ｃで示している。
【0028】
固体燃料１１は、グレイン１０の半径方向Ｒに見たときに、複数層に亘って積層されている。そして、この半径方向Ｒにおける固体燃料１１の各層を隔てるために隔壁１２が設けられている。本発明に係るグレイン１０は、このような隔壁１２により隔てられた固体燃料１１の多層構造を基本的構成とするものである。
【0029】
固体燃料１１の材料は、例えばハイブリッドロケットで一般的に用いられている炭化水素系ポリマー等を採用すればよい。例えば、固体燃料１１としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びエチレン・プロピレン共重合体等のポリオレフィン系樹脂を用いることが好ましい。その他、固体燃料１１としては、例えば、末端水酸基ポリブタジエン及び末端カルボキシル基ポリブタジエン等のポリブタジエン系樹脂； ポリエステル型ポリウレタン及びポリエーテル型ポリウレタン等のポリウレタン系樹脂； ポリ乳酸及びポリエチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂； アクリロニトリルホモポリマー及びアクリロニトリルコポリマー等のポリアクリロニトリル系樹脂； ポリ塩化ビニル樹脂； ポリメチルメタクリレート等のポリ（メタ）アクリル酸エステル系樹脂； ポリイソブチレン； エポキシ樹脂； パラフィンなどを用いることも可能である。また油脂とアミノ酸系ゲル化剤との組み合わせ、エタノールと酢酸カルシウムとの組み合わせを使用することもできる。
【0030】
固体燃料１１の各層の厚みは、適宜調整することが可能であるが、後述する平板状シート１３や波状シート１４よりは厚くすることが好ましい。例えば、固体燃料１１の各層の厚みは、０．１ｍｍ以上であることが好ましく、０．２５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以上、又は１ｍｍ以上であってもよい。また、固体燃料１１の各層の厚みの上限は、２００ｍｍ以下であることが好ましく、１５０ｍｍ以下、２０ｍｍ以下、１５ｍｍ以下、５ｍｍ以下又は３ｍｍ以下であってもよい。詳細には、固体燃料１１の形態によって好ましい厚みは異なり、例えば固体燃料１１がシート状の場合、各層の厚みは０．１ｍｍ以上であることが好ましく、０．２５ｍｍ以上がより好ましい。また片段シートと共に巻回しやすいことから、固体燃料１１の各層の厚みの上限は５ｍｍ以下であることが好ましく、３ｍｍ以下であることがより好ましい。固体燃料１１が棒状の場合、細すぎる棒状燃料を多数使用せずに済むことから、各層の厚みは０．５ｍｍ以上であることが好ましく、１ｍｍ以上がより好ましい。また固体燃料１１の各層の厚みの上限は２０ｍｍ以下であることが好ましく、１５ｍｍ以下であることがより好ましい。一方、流動性のある固体燃料１１の材料を隔壁１２の間に流し込んだ後、固化させて使用する場合、各層の厚みは０．１ｍｍ以上であることが好ましく、０．２５ｍｍ以上がより好ましい。また固体燃料１１の各層の厚みの上限は２００ｍｍ以下であることが好ましく、１５０ｍｍ以下であることがより好ましい。
【0031】
隔壁１２の構造は、図３に詳細に示している。隔壁１２は、片段シートにより構成されている。この片段シートは、平板状シート１３と波状シート１４を両者の接触点１５において接合した構造を持つ。接触点１５では、接着剤を塗布することにより平板状シート１３と波状シート１４を接合することとしてもよいし、ヒートシール加工により平板状シート１３と波状シート１４を局所的に加熱することによって溶融させて接合することとしてもよい。
【0032】
隔壁１２を構成する片段シートにおいて、平板状シート１３と波状シート１４は、その接触点１５において接合されているものの、それ以外の部分的では乖離している。このため、平板状シート１３と波状シート１４の間には空隙Ｖが形成されることとなる。また、波状シート１４は、周期的に起伏を繰り返しており、その片面に平板状シート１３が貼り合わされている。このため、片段シートは、平板状シート１３と波状シート１４の接触点１５（接合部分）に谷部１４ａが形成され、平板状シート１３と波状シート１４が剥離している部分に山部１４ｂが形成されたものとなる。
【0033】
また、図３では、平板状シート１３の厚みを符号Ｔ１で示し、波状シート１４の厚みを符号Ｔ２で示している。平板状シート１３の厚みＴ１と波状シート１４の厚みＴ２は、片段シートに固体燃料１１の間の隙間を維持できる程度の十分な強度を与えることを考慮すると、それぞれ、例えば０．０５ｍｍ以上、０．０７ｍｍ以上、０．１ｍｍ以上、０．１５ｍｍ以上、０．２ｍｍ以上、又は０．２５ｍｍ以上であることが好ましい。一方、各シート１３，１４が厚すぎると片段シートの加工や製造が難しくなることから、各シート１３，１４の厚みＴ１，Ｔ２は、それぞれ１ｍｍ未満であることが好ましく、具体的には０．９ｍｍ以下、０．８ｍｍ以下、０．７ｍｍ以下、０．６ｍｍ以下、又は０．５ｍｍ以下であることが好ましい。なお、平板状シート１３と波状シート１４の厚みは同じでもよいし、それぞれ異なっていてもよい。
【0034】
また、図３では、波状シート１４と平板状シート１３の接触点１５（接合部分）の間隔を符号Ｐで示している。波状シート１４は、一定の周期で起伏していることから、間隔Ｐも基本的には一定である。間隔Ｐは、特に制限されず、グレイン１０やそれを搭載するハイブリッドロケット１００のサイズに応じて適宜調整すればよい。例えば、間隔Ｐは、１ｍｍ以上、２ｍｍ以上、又は３ｍｍ以上とすることができ、その上限は１０ｍｍ以下、８ｍｍ以下、又は６ｍｍ以下とすればよい。
【0035】
また、図３では、波状シート１４と平板状シート１３の間に形成された空隙Ｖの高さを符号Ｈで示している。空隙Ｖの高さＨも、特に制限されず、グレイン１０やそれを搭載するハイブリッドロケット１００のサイズに応じて適宜調整すればよい。例えば、空隙Ｖの高さＨは、０．３ｍｍ以上、０．５ｍｍ以上、又は１ｍｍ以上とすることができ、その上限は１０ｍｍ、５ｍｍ以下、又は３ｍｍ以下とすればよい。
【0036】
片段シートを構成する波状シート１４と平板状シート１３は、それぞれ可燃性材料で形成される。各シート１３，１４の材料としては、例えば可燃性の紙や熱可塑性樹脂を選択できる。紙の原材料としては、広葉樹及び針葉樹等の木材や、古紙、その他麻、コウゾ、ミツマタ、竹等の植物性繊維を用いることができる。また、各シート１３，１４を形成する熱可塑性樹脂としては、前述した固体燃料１１と同様に、ポリオレフィン系樹脂、ポリブタジエン系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアクリロニトリル系樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ（メタ）アクリル酸エステル系樹脂、ポリイソブチレン、エポキシ樹脂、及びパラフィン等の炭化水素系ポリマーを用いればよい。なお、波状シート１４と平板状シート１３は、同種の材料からなるものであってもよいし、異なる材料からなるものであってもよい。また、隔壁１２を構成する片段シートと固体燃料１１を同じ材料で形成することも可能であるが、異なる材料で形成してもよい。
【0037】
このような片段シートは、公知の段ボールのコルゲーター（例えば特開昭５８－１５３６３１号公報）を利用して容易に加工及び製造することができる。例えば平板状シート１３と波状シート１４を共に熱可塑性樹脂製とする場合、加熱された段ロールに樹脂製原板を掛けて波状に熱成型することにより波状シート１４を得るとともに、この加熱された段ロールと平坦なプレスロールとの間に平板状シート１３と波状シート１４を導入して両シート１３，１４を熱圧着すればよい。これにより、接着剤を用いずに、平板状シート１３と波状シート１４が接合された片段シートを工業的に生産できる。ただし、接着剤を用いて平板状シート１３と波状シート１４を接着する手法を採用することも可能である。
【0038】
図２～図４に示した第１の実施形態では、片段シートを巻回することにより渦巻状の隔壁１２が形成されている。この隔壁１２は、波状シート１４が内向きとなり、平板状シート１３が外向きとなるように配置されたものである。そして、この渦巻状の隔壁１２の間に、固体燃料１１が充填されている。これにより、グレイン１０の半径方向にＲに向かって、固体燃料１１の層が複数形成される。本実施形態において、各層では、ある隔壁１２の層の平板状シート１３と次の隔壁１２の層の波状シート１４とに固体燃料１１が密着することとなる。ただし、片段シートの波状シート１４が具備する高さ方向の圧縮回復力より、固体燃料１１の層間の隙間を維持できるため、固体燃料１１の燃焼効率を高めて燃焼時に大きい推力を得ることができる。
【0039】
図２に示した実施形態では、固体燃料１１の層は３層又は４層となっているが、固体燃料１１の層の数は、グレイン１０やそれを搭載するハイブリッドロケット１００のサイズに応じて適宜調整することができる。例えば、固体燃料１１の層の数に特に制限はないが、例えば３層以上とすることが好ましい。
【0040】
本実施形態に係るグレイン１０は、例えば、巻回前の片段シート上に固体燃料１１を載せて、その後、この固体燃料１１を巻き込みながら片段シートを渦巻状に巻回することにより製造することができる。別の方法としては、片段シートを渦巻状に巻回した後に、片段シートがなす隔壁１２の間に流動性のある固体燃料１１の材料を流し込んで、その後固体燃料１１の材料を固化させることによってもグレイン１０を製造することができる。
【0041】
また、図４の斜視図に示されているように、本実施形態に係るグレイン１０では、隔壁１２をなす片段シートの平板状シート１３と波状シート１４の接触点１５（接合部分）は、グレイン１０の中心軸Ａと平行に延びるように直線状に形成されている。このように接触点１５をグレイン１０の中心軸Ａと平行にすることが、片段シートの構造上、片段シートを渦巻状に最も加工しやすい方法である。
【0042】
続いて、本発明に係るグレイン１０の別の実施形態について説明する。別の実施形態に関しては、前述した第１の実施形態と異なる点を中心に説明を行う。別の実施形態には、前述した第１の実施形態と同じ要素には同じ符号を付すことでその詳細については割愛する。
【0043】
図５は、本発明の第２の実施形態に係るグレイン１０の断面構造を示している。第２の実施形態に係るグレイン１０は、隔壁１２の構造は第１の実施形態と共通しているが、固体燃料１１の層構造が第１の実施形態と異なる。すなわち、図２に示されるように、第２の実施形態では、複数の棒状（特に円柱状）の固体燃料１１を採用している。このような棒状の固体燃料１１を隔壁１２の間に挿入して並べることで、固体燃料１１の層を形成している。
【0044】
より具体的に説明すると、棒状の固体燃料１１は、隔壁１２をなす片段シートのうち、２つの山部１４ｂの間の谷部１４ａに配置されている（図３参照）。このように、片段シートの谷部１４ａに固体燃料１１を差し込むことで、グレイン１０完成後に固体燃料１１の位置にずれが生じることを防止できる。
【0045】
なお、図５に示した実施形態では、片段シートのほぼ全ての谷部１４ａに棒状の固体燃料１１を配置しているが、必ずしもそのようにする必要はない。例えば、固体燃料１１を配置した谷部１４ａと固体燃料１１が配置されていない谷部１４ａが交互となるようにしてもよい。また、層ごとに、固体燃料１１を配置する谷部１４ａの割合を変化させることも可能である。例えば、グレイン１０の中心寄りの層では固体燃料１１を配置する谷部１４ａの割合を高くし、グレイン１０の外周寄りの層では固体燃料１１を配置する谷部１４ａの割合を低くすることもできる。
【0046】
図６は、本発明の第３の実施形態に係るグレイン１０の隔壁１２の断面構造を示している。なお、図６では、固体燃料１１の図示を省略しているが、第３の実施形態では、図２に示した隔壁１２の間に固体燃料１１を充填する方法と、図５に示した隔壁１２の間に棒状の複数の固体燃料１１を差し込む方法のどちらを採用することとしてもよい。
【0047】
図６に示されるように、第３の実施形態では、片段シートを渦巻状に巻回するのではなく、まず、片段シートによって構成された複数の円筒を用意する。複数の円筒は、それぞれ直径が異なっており、大きい直径の円筒の中に小さい直径の円筒を配置する。このとき、片段シートにより構成された複数の円筒は同心円状に配置される。このようにして、複数の筒状の片段シートにより複数層に渡る隔壁１２を形成することができる。
【0048】
さらに、第３の実施形態では、グレイン１０の周方向Ｃに固体燃料１１の収納空間を区画するために、半径方向Ｒに沿って形成された可燃性の仕切り壁１６がさらに設けられている。このような仕切り壁１６を設けることで、円筒状の隔壁１２同士の間隔も保つことができる。図６に示した例において、各仕切り壁１６は、単純な平板状に形成されている。ただし、仕切り壁１６は、隔壁１２と同様に片段シートにより形成することも可能である。仕切り壁１６の可燃性材料としては、例えば片段シートをなす平板状シート１３や波状シート１４と同様の材料を採用すればよい。
【0049】
なお、図６に示した例では、５つの円筒状の片段シート（隔壁１２）により固体燃料１１を収納するための層が４層形成されおり、各層に配置された仕切り壁１６が一直線上に並んでいる。ただし、各層の仕切り壁１６の配置はこれに限定されず、例えば、仕切り壁１６は層ごとに左右にずらして配置されていてもよい。また、図６に示した例では、各層に配置された仕切り壁１６の数が同じ（具体的には１２枚）であるが、各層の仕切り壁１６の数は異なっていてもよい。例えば、固体燃料１１の収納空間の大きさを統一するために、内側の層では仕切り壁１６の数を少なくし、外側の層では仕切り壁１６の数を多くすることも可能である。
【0050】
図７は、本発明の第４の実施形態に係るグレイン１０の隔壁１２の斜視図を示している。なお、図７でも、固体燃料１１の図示を省略しているが、第４の実施形態では、図２に示した隔壁１２の間に固体燃料１１を充填する方法と、図５に示した隔壁１２の間に棒状の複数の固体燃料１１を差し込む方法のどちらも採用することができる。
【0051】
図７と図４を比較すると分かり易いが、図７に示した第４の実施形態では、図４に示した第１の実施形態と異なり、隔壁１２をなす片段シートの平板状シート１３と波状シート１４の接触点１５（接合部分）が、グレイン１０の中心軸Ａに対して所定角度θで傾いている。中心軸Ａに対して接触点１５が傾斜する角度θは、５～３５度とすることが好ましい。このように接触点１５を傾斜させることで、平板状シート１３と波状シート１４の間の空隙Ｖも接触点１５と平行に傾斜する。これにより、固体燃料１１の燃焼時に燃焼空間Ｓ内に燃焼ガスの旋回流を発生させることができ、固体燃料１１を均一に燃焼させることができる。また、燃焼ガスを旋回させることで、燃焼ガスの噴射方向が安定し、得られる推力も安定する。
【0052】
また、図７に示した第４の実施形態において、隔壁１２の間に棒状の複数の固体燃料１１を差し込む場合には、この棒状の固体燃料１１は、平板状シート１３と波状シート１４の接触点１５に沿って配置することが好ましい。すなわち、棒状の固体燃料１１も、接触点１５とともに、グレイン１０の中心軸Ａに対して所定角度θで傾斜した状態で隔壁１２の間に差し込まれることとなる。
【0053】
図８は、本発明の第５の実施形態に係るグレイン１０の隔壁１２の断面構造を示している。図８でも、固体燃料１１の図示を省略しているが、第５の実施形態では、図２に示した隔壁１２の間に固体燃料１１を充填する方法と、図５に示した隔壁１２の間に棒状の複数の固体燃料１１を差し込む方法のどちらも採用することができる。
【0054】
図８に示されるように、第５の実施形態における隔壁１２は、略円筒状のグレイン１０に、第１の燃焼空間Ｓ１と第２の燃焼空間Ｓ２を形成するように設計されている。すなわち、図８に示した例において、隔壁１２は、第１から第５の片段シート１２（ａ）～１２（ｅ）により構成されている。第１の片段シート１２（ａ）は、グレイン１０の外周を形成するように渦巻状に巻回される。第２の片段シート１２（ｂ）は、第１の片段シート１２（ａ）の内側に配置され、第１の燃焼空間Ｓ１を形成するように渦巻状に巻回される。第３の片段シート１２（ｃ）は、第１の片段シート１２（ａ）の内側に配置され、第２の燃焼空間Ｓ２を形成するように渦巻状に巻回される。なお、図示した例では、第１の燃焼空間Ｓ１と第２の燃焼空間Ｓ２はほぼ等しい直径とされているが、これらの空間Ｓ１，Ｓ２の直径を異ならせることもできる。また、第４及び第５の片段シート１２（ｄ），１２（ｅ）は、第１の片段シート１２（ａ）の内側に配置され、第１の片段シート１２（ａ）と第２及び第３の片段シート１２（ｂ），１２（ｃ）との間の隙間を埋めるように、適当な部位で折り曲げたり湾曲させたりした形状となっている。このように、複数の片段シート１２（ａ）～１２（ｅ）を用いて、隔壁１２を形成することも可能である。
【0055】
なおここまで、片段構造の隔壁１２を使用して、固体燃料１１の層間に空隙Ｖを形成することにより、固体燃料１１の燃焼効率を高めたグレイン１０について説明してきたが、固体燃料の選択の仕方によっては、空隙Ｖ中にも固体燃料が充填されているにも関わらず、高い燃焼効率を有するグレインを得ることができる。具体的には、例えば図３、６、７及び８に記載の、片段シート巻回物または円筒状物の組合せに、流動性のある固体燃料１１の材料を含浸させ、その後固体燃料１１の材料を固化させることにより、グレイン１０を製造する。この場合には、図３に示した空隙Ｖに相当する領域にも、固体燃料が充填される。
【0056】
流動性のある固体燃料としては、前述した固体燃料１１のうち、例えばエポキシ樹脂、ワックスに代表されるパラフィン、油脂とアミノ酸系ゲル化剤との組み合わせ、エタノールと酢酸カルシウムとの組み合わせ等が挙げられる。これらのうち、ワックスに代表されるパラフィン、油脂とアミノ酸系ゲル化剤との組み合わせ、及びエタノールと酢酸カルシウムとの組み合わせは、いずれも波状シート１４及び平板状シート１３の材料として前述したものより低い融点を有する。例えば片段シートとして熱可塑性樹脂からなるシートを用い、固体燃料１１として、片段シートより低い融点を有する可燃性材料を使用した場合、グレイン１０の燃焼時に片段シートが溶融して穴が空き、そこから可燃性ガス、すなわち液状化した固体燃料１１が燃焼空間に噴出することにより、燃焼を促進し、後退速度が上昇する。またエポキシ樹脂、油脂とアミノ酸系ゲル化剤との組み合わせ、及びエタノールと酢酸カルシウムとの組み合わせは、いずれも波状シート１４及び平板状シート１３の材料として前述したものより酸素含有量が多い。例えば片段シート中の酸素含有量より固体燃料１１中の酸素含有量が高い場合は、燃焼が進むことによりグレイン１１中の酸素供給量が増加することになるので、後退速度がより上昇するため好ましい。酸素含有量については後述する。
【0057】
なお、流動性のある固体燃料１１の材料を隔壁１２の間に含浸させた後、固化させて使用する場合、固体燃料１１層の厚みは０．１ｍｍ以上であることが好ましく、０．２５ｍｍ以上がより好ましい。また固体燃料１１の各層の厚みの上限は２００ｍｍ以下であることが好ましく、１５０ｍｍ以下であることがより好ましい。
【0058】
図９は、２つの燃焼空間Ｓ１，Ｓ２が設けられたグレイン１０を模式的に示している。図９（ａ）に示した例では、２つの燃焼空間Ｓ１，Ｓ２が、それぞれグレイン１０の中心軸と平行に直線状に延びている。一方、図９（ｂ）に示した例では、２つの燃焼空間Ｓ１，Ｓ２が、それぞれ螺旋状に伸びており、これらの燃焼空間Ｓ１，Ｓ２によって二重螺旋が形成されている。なお、図９（ｂ）では、グレイン１０の天面と下面における燃焼空間Ｓ１，Ｓ２の位置関係に加えて、それらの間の２つの切断面における燃焼空間Ｓ１，Ｓ２の位置関係を模式的に表している。このように、グレイン１０の燃焼空間Ｓ１，Ｓ２は直線状に限らず、螺旋状であってもよい。グレイン１０の燃焼空間Ｓ１，Ｓ２を螺旋状とすることで、燃焼ガスの旋回流を発生させることができる。
【0059】
図１０は、本発明に係るグレイン１０の変形例を示している。図１０に示した変形例は、前述した第１から第５の実施形態のいずれにも適用することができる。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、グレイン１０の断面構造を示している。
【0060】
図１０（ａ）に示した変形例では、前述したグレイン１０（固体燃料１１と隔壁１２を含むもの）の内周面に固体推進剤６０がさらに積層されている。前述したとおり、グレイン１０は、液体酸化剤を支燃物として燃焼するものであるが、固体推進剤６０は、固体燃料と固体酸化剤をバインダーで結着させたものであり、それ単独で燃焼する。固体推進剤６０を構成する固体燃料、固体酸化剤、及びバインダーはそれぞれ公知のものを採用すればよい。
【0061】
このように略円筒状のグレイン１０の内周面に固体推進剤６０を積層しておくことで、ロケットは２段階で推力を得ることができる。すなわち、第１段階では、固体推進剤６０を単独で燃焼させることでロケットに推力を与える。固体推進剤６０が燃焼し終えると、ロケットは一旦推力を失う。なお、グレイン１０は単独では燃焼しないため、固体推進剤６０からグレイン１０に延焼することはない。その後、第２段階では、酸化剤タンク３０（図１参照）からグレイン１０の燃焼空間Ｓに液体燃料を供給し、燃焼空間Ｓで再び着火することで、グレイン１０は燃焼を開始する。これにより、ロケットに再び推力を与えることができる。このため、例えば、地上からの打ち上げ時には固体推進剤６０を燃焼させ、宇宙空間又は大気圏からの帰還時には液体酸化剤を供給してグレイン１０を燃焼させるといったように、ロケットの往路と復路で燃料を切り替えることができる。
【0062】
図１０（ｂ）に示した変形例では、前述したグレイン１０において、固体燃料１１の各層における酸素含有率を、グレイン１０の中心から外周に向かって徐々に大きくしている。図１０（ｂ）の例では、グレイン１０の中心から順に、第１層１０（ａ）、第２層１０（ｂ）、第３層１０（ｃ）、及び第４層１０（ｄ）に分けている。この場合に、各層の酸素含有率は、第１層１０（ａ）、第２層１０（ｂ）、第３層１０（ｃ）、及び第４層１０（ｄ）の順で大きくなる。ハイブリッドロケットにおいては、グレイン１０の中心の燃焼空間Ｓに液体酸化剤を供給してグレイン１０を構成する固体燃料１１を燃焼させるが、グレイン１０の外周に向かうにつれて、液体酸化剤の供給量が低下する。そこで、グレイン１０の外周に向かうにつれて酸素含有率を大きくすることで、液体酸化剤の不足を補うことができる。
【0063】
ここにいう「酸素含有率」とは、燃料を構成する物質中に含まれる酸素原子の含有率を質量％で表したものである。酸素原子を含む物質としては、ジグリシジル・アジド・ポリマー、ポリエチレングリコール、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタフタレート、エポキシ樹脂、セルロース、エタノール、油脂等が挙げられる。酸素含有率は元素分析法で求めることができる。元素分析法としてはたとえば１０５０℃、ヘリウムキャリア中の無酸素状態下で試料を燃焼させ、発生した一酸化窒素を定量する方法が挙げられる。
【0064】
以上、本願明細書では、本発明の内容を表現するために、図面を参照しながら本発明の実施形態の説明を行った。ただし、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本願明細書に記載された事項に基づいて当業者が自明な変更形態や改良形態を包含するものである。
【符号の説明】
【0065】
１０…グレイン １１…固体燃料
１２…隔壁 １３…平板状シート
１４…波状シート １４ａ…谷部
１４ｂ…山部 １５…接触点
１６…仕切り壁 ２０…モーターケース
３０…酸化剤タンク ４０…噴射ノズル
５０…火薬 １００…ハイブリッドロケット
Ｓ…燃焼空間 Ｓ１…第１の燃焼空間
Ｓ２…第２の燃焼空間 Ｖ…空隙
１２…隔壁 １３…平板状シート
１４…波状シート １４ａ…谷部
１４ｂ…山部 １５…接触点
１６…仕切り壁 ２０…モーターケース
３０…酸化剤タンク ４０…噴射ノズル
５０…火薬 １００…ハイブリッドロケット
Ｓ…燃焼空間 Ｓ１…第１の燃焼空間
Ｓ２…第２の燃焼空間 Ｖ…空隙
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】