特開 2024-78350 ハイブリッドロケット用グレイン及びその製造方法

(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】P2024078350

(43)【公開日】2024-06-10

(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】

   C06D 5/00 20060101AFI20240603BHJP

   B32B 5/00 20060101ALI20240603BHJP

   F02K 9/14 20060101ALI20240603BHJP

【ＦＩ】

C06D5/00 A

B32B5/00 Z

F02K9/14

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022190858

(22)【出願日】2022-11-29

(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

【テーマコード（参考）】

4F100

【Ｆターム（参考）】

4F100AK03B

4F100AK54A

4F100BA08

4F100DC22A

4F100DC22B

4F100DC23A

4F100DC23B

4F100GB31

(57)【要約】

【課題】グレインを構成する樹脂の種類をできる限り少なく抑えながら、酸素含有率をグレインの中心から外周に向かって大きくする。
【解決手段】固体燃料シート１０を長手方向（ｘ軸方向）に複数層に亘って巻回することにより構成されたハイブリッドロケット用グレインであって、固体燃料シート１０は、酸素を含有する第１の樹脂１１と、この第１の樹脂１１よりも酸素含有率の低い第２の樹脂１２とが、固体燃料シート１０の平面方向（ｘｙ面方向）及び／又は厚み方向（ｚ軸方向）に組み合わされており、固体燃料シート１０の後端１０ｂ側の後半部Ｒには、固体燃料シート１０の前端１０ａ側の前半部Ｆと比べて、質量比において第１の樹脂１１が多く含まれる。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

固体燃料シートを長手方向（ｘ軸方向）に複数層に亘って巻回することにより構成されたハイブリッドロケット用グレインであって、
前記固体燃料シートは、少なくとも、酸素を含有する第１の樹脂と、前記第１の樹脂よりも酸素含有率の低い第２の樹脂とが、前記固体燃料シートの平面方向（ｘｙ面方向）及び／又は厚み方向（ｚ軸方向）に組み合わされたものであり、
前記グレインの最内層に位置する前記固体燃料シートの先端を前端とし、前記グレインの最外層に位置する前記固体燃料シートの先端を後端とし、前記前端側の前記固体燃料シートの半部を前半部とし、前記後端側の前記固体燃料シートの半部を後半部とした場合に、前記後半部には前記前半部と比べて質量比において前記第１の樹脂が多く含まれる
グレイン。

【請求項2】

前記第１の樹脂は、ポリアセタール系樹脂又はポリエチレンオキシド系樹脂であり、
前記第２の樹脂は、ポリオレフィン系樹脂である
請求項１に記載のグレイン。

【請求項3】

前記固体燃料シートは、前記長手方向（ｘ軸方向）に、前記第１の樹脂と前記第２の樹脂が交互に組み合わされている
請求項１又は請求項２に記載のグレイン。

【請求項4】

前記固体燃料シートは、さらに、前記固体燃料シートの短手方向（ｙ軸方向）に、前記第１の樹脂と前記第２の樹脂が組み合わされている
請求項３に記載のグレイン。

【請求項5】

前記固体燃料シートは、前記厚み方向（ｚ軸方向）に、前記第１の樹脂の層と前記第２の樹脂の層とが重ね合わされた部分を含む
請求項１又は請求項２に記載のグレイン。

【請求項6】

前記固体燃料シートは、前記長手方向（ｘ軸方向）に前記第１の樹脂と前記第２の樹脂とが組み合わされた層が、前記厚み方向（ｚ軸方向）に複数層に亘って重ね合わされている
請求項５に記載のグレイン。

【請求項7】

ハイブリッドロケット用グレインの製造方法であって、
固体燃料シートを長手方向（ｘ軸方向）に複数層に亘って巻回する工程を含み、
前記固体燃料シートは、少なくとも、酸素を含有する第１の樹脂と、前記第１の樹脂よりも酸素含有率の低い第２の樹脂とが、前記固体燃料シートの平面方向（ｘｙ軸方向）及び／又は厚み方向（ｚ軸方向）に組み合わされたものであり、
前記グレインの最内層に位置する前記固体燃料シートの先端を前端とし、前記グレインの最外層に位置する前記固体燃料シートの先端を後端とし、前記前端側の前記固体燃料シートの半部を前半部とし、前記後端側の前記固体燃料シートの半部を後半部とした場合に、前記後半部には前記前半部と比べて質量比において前記第１の樹脂が多く含まれる
グレインの製造方法。

【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から特許文献３に開示されているように、主に樹脂からなる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

【特許文献3】特開２０２２－８７１３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献３には、ハイブリッドロケット用のグレインを、固体燃料を積層することによって構成し、固体燃料の各層の酸素含有率をグレインの中心から外周に向かって徐々に大きくすることが開示されている。具体的に説明すると、特許文献３のグレインは、例えばその中心から順に第１層、第２層、第３層、第４層に分けられ、各層の酸素含有率が第１層、第２層、第３層、及び第４層の順で大きくなるように構成されている。ハイブリッドロケットは、前述したとおり、グレインの中心の燃焼空間に液体酸化剤を供給してグレインを構成する固体燃料を燃焼させるものであることから、グレイン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という課題がある。この点、特許文献３に開示されているように、グレイン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。

【0007】

ところで、特許文献３には、一例として第１層から第４層までの各層で酸素含有率を異ならせることが開示されているが、そのためには酸素含有率が異なる固体燃料、すなわち異なる種類の樹脂を少なくとも４つ用意する必要がある。また、固体燃料の層ごとに酸素含有率を変える場合、固体燃料の層の数が増えるにつれて樹脂の種類も増えるという問題もある。このようにグレインを構成する樹脂の種類が増えると、材料の調達コストが増加することから、グレイン全体の製造コストが嵩むという問題がある。一方で、前述した通り、グレインを構成する固体燃料の酸素含有率を中心から外周に向かって大きくすることで、外周近くの燃焼時における酸化剤不足を補って燃焼効率を高めるという効果が期待できることから、材料調達コストを抑えつつ、このような効果を実現したいという要望がある。

【0008】

そこで、本発明は、グレインを構成する樹脂の種類をできる限り少なく抑えながら、固体燃料の酸素含有率をグレインの中心から外周に向かって大きくできるようにすることを主な課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の発明者は、上記した従来技術の問題点を解決する手段について鋭意検討した結果、固体燃料シートを巻回してなるハイブリッドロケット用グレインを酸素含有率の異なる少なくとも２種の樹脂を組み合わせることによって構成し、グレインの中心付近と外周付近とで各樹脂の比率を変えるようにすることで、少なくとも２種の樹脂によって、酸素含有率をグレインの中心から外周に向かって大きくすることができるという知見を得た。そして、本発明者は、上記知見に基づけば従来技術の課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有する。

【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６０に関する。本発明に係るグレイン６０は、固体燃料シート１０を長手方向（ｘ軸方向）に複数層に亘って巻回することにより構成されたものである。このため、グレイン６０は、略円柱形であり、その中心軸に沿って燃焼空間Ｓが形成されている。なお、本願明細書では、基本的に、固体燃料シート１０を渦巻状に巻回したものを「グレイン６０」と称し、渦巻状に巻回する前の状態のもの又は渦巻状から展開した後の状態のものを「固体燃料シート１０」と称している。固体燃料シート１０は、少なくとも、酸素を含有する第１の樹脂１１と、この第１の樹脂１１よりも酸素含有率の低い第２の樹脂１２とを含む。第２の樹脂１２は、第１の樹脂１１よりも酸素含有率が低ければよく、酸素含有率はゼロであってもよい。固体燃料シート１０は、第１の樹脂１１と第２の樹脂１２とが固体燃料シート１０の平面方向（ｘｙ面方向）と厚み方向（ｚ軸方向）の両方の方向又はいずれか一方の方向に組み合わされている。つまり、第１の樹脂１１と第２の樹脂１２は、固体燃料シート１０の長手方向（ｘ軸方向）に組み合わされていてもよいし、固体燃料シート１０の短手方向（ｙ軸方向）に組み合わされていてもよい。また、第１の樹脂１１と第２の樹脂１２は、固体燃料シート１０の厚み方向（ｚ軸方向）に組み合わされていてもよい。ここで、本願明細書において、グレイン６０の最内層に位置する固体燃料シート１０の先端を「前端１０ａ」とし、グレイン６０の最外層に位置する固体燃料シート１０の先端を「後端１０ｂ」とし、前端１０ａ側の固体燃料シート１０の半部を「前半部Ｆ」とし、後端１０ｂ側の固体燃料シート１０の半部を「後半部Ｒ」とする。この場合に、固体燃料シート１０の後半部Ｒには前半部Ｆと比べて質量比において第１の樹脂１１が多く含まれる。すなわち、前半部Ｆから切り出した第１の樹脂１１の質量と後半部Ｒから切り出した第１の樹脂１１の質量を比較すると、後者が前者を上回ることとなる。さらに、固体燃料シート１０の前半部Ｆには後半部Ｒと比べて質量比において第２の樹脂１２が多く含まれるようにするとよい。なお、固体燃料シート１０の前半部Ｆ全体を第２の樹脂１２とし、後半部Ｒ全体を第１の樹脂１１とすることも可能である。また、固体燃料シート１０は、第１の樹脂１１と第２の樹脂１２のみからなるものであってもよいし、本発明の効果を損なわない範囲で、これらの樹脂の他にこれらと酸素含有率の異なる他の種類の樹脂（第３の樹脂や第４の樹脂）や、公知の添加剤等樹脂以外の成分が含まれていてもよい。

【0011】

上記構成のように、本発明は、固体燃料シート１０を巻回してなるグレイン６０において、固体燃料として用いられる樹脂の組み合わせ方によって酸素含有率を調整することとしている。具体的には、巻回されたグレイン６０の外周付近に相当する後半部Ｒには、グレイン６０の中心付近に相当する前半部Ｆに比べて、酸素含有率の高い第１の樹脂１１が多く組み込まれていることになる。これにより、酸素含有率の異なる２種類の樹脂を用意すれば、グレイン６０の中心から外周に向かって酸素含有率を大きくすることができる。従って、グレイン６０を構成する樹脂の種類をできる限り少なくすることが可能であり、グレイン６０全体の製造コストを安価に抑えることができる。

【0012】

本発明に係るグレイン６０において、第１の樹脂１１は、ポリアセタール系樹脂又はポリエチレンオキシド系樹脂であることが好ましい。ポリアセタール系樹脂とポリエチレンオキシド系樹脂は、シート成形可能な樹脂の中でも酸素含有率が高いものであることから、第１の樹脂１１としての用途に適している。特に、酸素含有率が５０ｗｔ％以上となるポリアセタール系樹脂が好適である。また、第２の樹脂１２は、ポリオレフィン系樹脂であることが好ましい。ポリオレフィン系樹脂は、酸素を含有しないが、液体酸化剤を供給すれば良く燃焼する樹脂であることから、第２の樹脂１２としての用途に適している。このように、本発明では、酸素含有率の高い樹脂を第１の樹脂１１として利用し、酸素を含有しない樹脂を第２の樹脂１２として利用することが好ましい。

【0013】

本発明に係るグレイン６０において、固体燃料シート１０は、その長手方向（ｘ軸方向）に、第１の樹脂１１と第２の樹脂１２が交互に組み合わされていることが好ましい。特に、固体燃料シート１０の前半部Ｆでは、第１の樹脂１１と第２の樹脂１２が交互に組み合わされ、酸素含有率の低い第２の樹脂１２の含有量が多くなるようにするとよい。同様に、固体燃料シート１０の後半部Ｒでも、第１の樹脂１１と第２の樹脂１２が交互に組み合わされ、酸素含有率の高い第１の樹脂１１の含有量が多くなるようにするとよい。このように、シートの長手方向に第１の樹脂１１と第２の樹脂１２を交互に組み合わせることで、２種の樹脂のみを用いる場合でも、巻回されたグレイン６０の中心付近と外周付近の酸素含有率をそれぞれ適切な値に調節しやすくなる。

【0014】

本発明に係るグレイン６０において、固体燃料シート１０は、その長手方向（ｘ軸方向）に加えて、さらに、固体燃料シート１０の短手方向（ｙ軸方向）にも、第１の樹脂１１と第２の樹脂１２が組み合わされていてもよい。なお、固体燃料シート１０の短手方向は、巻回されたグレイン６０の中心軸方向に相当する。固体燃料シート１０の短手方向にみたときに、第１の樹脂１１と第２の樹脂１２は交互に組み合わされていてもよいし、第１の樹脂１１と第２の樹脂１２とが一つずつ組み合わされていてもよい。このように、固体燃料シート１０の短手方向にも第１の樹脂１１と第２の樹脂１２とを組み合わせることで、巻回されたグレイン６０の中心軸方向の酸素含有率も調整できるようになる。

【0015】

本発明に係るグレイン６０において、固体燃料シート１０は、その厚み方向（ｚ軸方向）に、第１の樹脂１１の層と第２の樹脂１２の層とが重ね合わされた部分を含むこととしてもよい。このように、第１の樹脂１１の層と第２の樹脂１２の層を重ね合わせることによっても、固体燃料シート１０の後半部Ｒにおける第１の樹脂１１の含有量が、前半部Ｆにおける第１の樹脂１１の含有量よりも多くなるように調節することができる。

【0016】

本発明に係るグレイン６０において、固体燃料シート１０は、その長手方向（ｘ軸方向）に第１の樹脂１１と第２の樹脂１２とが組み合わされた層が、その厚み方向（ｚ軸方向）に複数層に亘って重ね合わされていることとしてもよい。このようにすれば、例えば、第１の樹脂１１と第２の樹脂１２とが長手方向に組み合わされた層を予め複数用意し、これを積層することによって、グレイン６０を構成する固体燃料シート１０を製作することができる。この場合、固体燃料シート１０の製作が比較的容易になる。

【0017】

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６０の製造方法である。この第２の側面に係る製造方法によれば、基本的に前述した第１の側面に係るグレイン６０を製造することができる。第２の側面に係る製造方法は、固体燃料シート１０を長手方向（ｘ軸方向）に複数層に亘って巻回する工程を含む。このとき、固体燃料シート１０は、少なくとも、酸素を含有する第１の樹脂１１と、この第１の樹脂１１よりも酸素含有率の低い第２の樹脂１２とが、当該シートの平面方向（ｘｙ面方向）及び／又は厚み方向（ｚ軸方向）に組み合わされたものである。この固体燃料シート１０の後半部Ｒには、前半部Ｆと比べて質量比において第１の樹脂１１が多く含まれる。また、固体燃料シート１０の前半部Ｆには、後半部Ｒと比べて質量比において第２の樹脂１２が多く含まれることが好ましい。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、グレインを構成する樹脂の種類をできる限り少なく抑えながら、固体燃料の酸素含有率をグレインの中心から外周に向かって大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、グレインを搭載したハイブリッドロケットの構造を模式的に示している。

【図2】図２は、巻回されたグレインの例を示している。

【図3】図３は、グレインを構成する固体燃料シートの長手方向の断面図の例であって、本発明の第１の実施形態を示している。

【図4】図４は、グレインを構成する固体燃料シートの平面図の例であって、本発明の第１の実施形態のバリエーションを示している。

【図5】図５は、グレインを構成する固体燃料シートの長手方向の断面図の例であって、本発明の第２の実施形態を示している。

【発明を実施するための形態】

【0020】

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。
なお、本願明細書において、「Ａ～Ｂ」とは「Ａ以上Ｂ以下」であることを意味する。

【0021】

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６０、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６０は、一般的に略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６０を収容するための容器であり、グレイン６０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６０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６０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６０の燃焼空間Ｓ内に配置されている。

【0022】

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６０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６０（可燃物）が燃焼を開始する。グレイン６０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６０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６０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６０の燃焼は終了する。なお、酸化剤タンク３０からグレイン６０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６０の燃焼を停止させることができる。

【0023】

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６０に関するものである。ただし、本発明の範囲をグレイン６０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６０について詳細に説明する。

【0024】

図２は、本発明に係るグレイン６０を、その中心に設けられた燃焼空間Ｓを覗き込むように平面視したものである。図２に示されるように、グレイン６０は、固体燃料からなる長尺のシートを渦巻状に巻回したものである。このため、グレイン６０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。このグレイン６０を展開すると１枚の平面状の固体燃料シート１０となる。展開された固体燃料シート１０は、互いに直交する長手方向、短手方向、及び厚み方向を有する３次元の形状となる。本願の図面では、展開された固体燃料シート１０の長手方向をｘ軸で示し、短手方向をｙ軸で示し、厚み方向をｚ軸で示している（図３，図４，図５参照）。つまり、グレイン６０を構成する固体燃料シート１０は、ｘ軸及びｙ軸で表される平面がｚ軸方向に厚みを持ったものであるといえる。

【0025】

図２に示されるように、グレイン６０を構成する固体燃料シート１０は、その長手方向に２つの端部を持つ。本願明細書では、固体燃料シート１０の端部のうち、グレイン６０の最内層に位置する端部を「前端１０ａ」といい、グレイン６０の最外層に位置する端部を「後端１０ｂ」という。

【0026】

固体燃料シート１０の厚みは、適宜調整することが可能である。固体燃料の各層の厚みは、例えば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、固体燃料シート１０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。特に、固体燃料シート１０の厚みは、当該シートが破れることを防止しつつ渦巻状に巻回しやすくする観点から、０．２５ｍｍ以上、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。また、図２に示した実施形態では、グレイン６０を構成する固体燃料シート１０の巻き数は３層又は４層となっているが、この巻き数は、固体燃料シート１０の厚みや、グレイン６０のサイズ、あるいは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。固体燃料シート１０の巻き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。

【0027】

図３は、グレイン６０の第１の実施形態に関し、平面状に展開された固体燃料シート１０の長手方向（ｘ軸方向）の断面構造を模式的に表したものである。図３に示されるように、展開状態の固体燃料シート１０は、グレイン６０の最内層に位置する前端１０ａから、グレイン６０の最外層に位置する後端１０ｂまでの長さを有する。この固体燃料シート１０全体の長さを観念的に２等分したときに、前端１０ａ側の固体燃料シート１０の半部を「前半部Ｆ」といい、後端１０ｂ側の固体燃料シート１０の半部を「後半部Ｒ」という。さらに、図３に示された例において、固体燃料シート１０の前半部Ｆと後半部Ｒは、固体燃料シート１０の長手方向に観念的に４等分されている。この場合に、前半部Ｆは、前端１０ａに近い順に、前半第１部Ｆ１、前半第２部Ｆ２、前半第３部Ｆ３、及び前半第４部Ｆ４に区分けされる。また、後半部Ｒも、前端１０ａに近い順に、後半第１部Ｒ１、後半第２部Ｒ２、後半第３部Ｒ３、及び後半第４部Ｒ４に区分けされる。

【0028】

図３に示された実施形態において、固体燃料シート１０は、第１の樹脂１１と第２の樹脂１２という２種の可燃性樹脂を組み合わせることによって構成されている。第１の樹脂１１は、構成分子中に酸素原子を有する樹脂であり、第２の樹脂１２は、酸素含有率が第１の樹脂１１よりも低い樹脂である。第２の樹脂１２としては、構成分子中に酸素原子を含有しない樹脂を採用することも可能である。なお、ここにいう「酸素含有率」とは、樹脂中に含まれる酸素原子の含有率を質量％で表した値である。本発明では、第１の樹脂１１と第２の樹脂１２とが互いに分離又は切り離しできるように組み合わされていることを想定している。

【0029】

図３に示した実施形態において、固体燃料シート１０は、その長手方向に、第１の樹脂１１と第２の樹脂１２とを交互に突き合わせるようにして構成されている。すなわち、固体燃料シート１０を長手方向に見たときに、第１の樹脂１１の間に第２の樹脂１２が介在し、第２の樹脂１２の間にも第１の樹脂１１が介在することとなる。第１の樹脂１１と第２の樹脂１２とを突き合わせる方法は特に制限されないが、例えば、第１の樹脂１１と第２の樹脂１２の間に樹脂用の接着剤を塗布し、この接着剤によって第１の樹脂１１と第２の樹脂１２を接合することとしてもよい。また、第１の樹脂１１と第２の樹脂１２の両方又はどちらか一方の樹脂を溶融させ、その溶融状態において第１の樹脂１１と第２の樹脂１２を突き合わせた後、樹脂を固化させることにより第１の樹脂１１と第２の樹脂１２を融着することとしてもよい。また、より単純には、第１の樹脂１１と第２の樹脂１２とを突き合わせた後に、その接触部分に可燃性の粘着テープを巻き付けることによって第１の樹脂１１と第２の樹脂１２を接合することも可能である。このようにして、第１の樹脂１１と第２の樹脂１２とを繋ぎ合わせて一枚の固体燃料シート１０を製作する。

【0030】

ここで、グレイン６０を構成するための固体燃料シート１０は、前半部Ｆと後半部Ｒとで第１の樹脂１１と第２の樹脂１２の含有量が異なる。具体的には、酸素含有樹脂である第１の樹脂１１は、質量比において前半部Ｆよりも後半部Ｒに多く含まれている。例えば、前半部Ｆに含まれる第１の樹脂１１の総質量に対して、後半部Ｒに含まれる第１の樹脂１１の総質量は、１．１倍以上であればよく、１．５倍又は１．８倍以上であることが好ましい。特に、後半部Ｒに含まれる第１の樹脂１１の総質量は、前半部Ｆに対して、２倍以上であることが好ましく、２．５倍又は３倍以上であってもよい。なお、後半部Ｒに含まれる第１の樹脂１１の総質量の上限については特に制限はないが、例えば前半部Ｆに含まれる第１の樹脂１１の総質量に対して、２０倍以下又は１５倍以下とすればよい。

【0031】

また、固体燃料シート１０の後半部Ｒを構成する燃料用樹脂全体の質量を１００％とした場合に、この後半部Ｒに含まれる第１の樹脂１１（酸素含有樹脂）の総質量は、５５～９５％であることが好ましく、６０～９３％又は６５～９３％であってもよく、７０～９０％であることが特に好ましい。なお、後半部Ｒの残余は第２の樹脂１２である。一方で、固体燃料シート１０の前半部Ｆを構成する燃料用樹脂全体の質量を１００％とした場合に、この前半部Ｆに含まれる第１の樹脂１１（酸素含有樹脂）の総質量は、５～４５％であることが好ましく、７～４０％又は７～３５％であってもよく、１０～３０％であることが特に好ましい。なお、前半部Ｆの残余は第２の樹脂１２である。

【0032】

より細かく分析すると、第１の樹脂１１の含有量は、固体燃料シート１０の前端１０ａから後端１０ｂに向かって徐々に増加することが好ましい。前述したとおり、図３に示した例では、固体燃料シート１０の前半部Ｆは、前端１０ａから近い順に前半第１部Ｆ１～前半第４部Ｆ４の４つに等分されており、固体燃料シート１０の後半部Ｒも、前端１０ａから近い順に後半第１部Ｒ１～後半第４部Ｒ４の４つに等分されている。この場合に、各部分Ｆ１～Ｆ４，Ｒ１～Ｒ４に含まれる第１の樹脂１１の質量は、Ｆ１＜Ｆ２＜Ｆ３＜Ｆ４＜Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ３＜Ｒ４となるように、前端１０ａから後端１０ｂに向かって増加することが最も好ましい。

【0033】

ただし、全体的な傾向として前端１０ａから後端１０ｂに向かって第１の樹脂１１の含有量が増加していれば本発明の効果を奏することは可能であり、例えば部分的に前半第３部Ｆ３の方が前半第２部Ｆ２よりも第１の樹脂１１の含有量が多くなるといったように、部分的な逆転現象が生じていても大きな問題にはならない。このため、例えば、少なくとも、後半第１部Ｒ１～後半第４部Ｒ４の各部は、それぞれ、前半第１部Ｆ１～前半第４部Ｆ４のうちの最も第１の樹脂１１の含有量が少ない部位と比較して、質量比において第１の樹脂１１の含有量が多くなっていればよいといえる。あるいは、前半第１部Ｆ１～前半第４部Ｆ４に含まれる第１の樹脂１１の質量の平均値と、後半第１部Ｒ１～後半第４部Ｒ４に含まれる第１の樹脂１１の質量の平均値とを比較したときに、後者が前者を上回っていればよいともいえる。さらに具体的には、第１の樹脂１１の質量は、前半第１部Ｆ１と前半第２部Ｆ２の平均値、前半第２部Ｆ２と前半第３部Ｆ３の平均値、後半第１部Ｒ１と後半第２部Ｒ２の平均値、後半第３部Ｒ３と後半第４部Ｒ４の平均値は、（Ｆ１＋Ｆ２）／２≦（Ｆ３＋Ｆ４）／２＜（Ｒ１＋Ｒ２）／２≦（Ｒ３＋Ｒ４）／２の関係性を満たせばよい。このように、酸素含有樹脂である第１の樹脂１１の含有量は、前端１０ａから後端１０ｂに向かって増加する傾向にあればよい。

【0034】

酸素原子を含有する第１の樹脂１１としては、固体燃料として機能する燃焼性を有するとともに、シート状に成形可能な熱可塑性を有するものを採用する必要がある。このような第１の樹脂１１の例は、ポリアセタール系樹脂、ポリエチレンオキシド系樹脂、ポリエチレングリコール系樹脂、ポリエチレンテレフタレート系樹脂、ポリメチルメタクリレート系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン系樹脂、ナイロン－６，６、及びエポキシ樹脂であり、これらを併用することもできる。なかでも、第１の樹脂１１としては、酸素含有率の高いポリアセタール系樹脂若しくはポリエチレンオキシド系樹脂を採用することが好ましく、又はこれらを併用することとしてもよい。ポリアセタールの酸素含有率は約５３．３ｗｔ％であり、ポリエチレンオキシドの酸素含有率は約３６．３ｗｔ％である。ポリアセタール系樹脂としては、ホルムアルデヒド又はトリオキサンを主原料として重合反応により得られるホモポリマーであってもよく、オキシメチレン単位とオキシメチレン単位以外の構成単位からなるコポリマー、すなわちブロックコポリマー、ターポリマー、グラフトポリマー、架橋ポリマーのいずれであってもよい。また、ポリエチレンオキシド系樹脂としては、エチレンオキシドのみによって構成される樹脂であってもよいし、エチレンオキシドと他のオキシド化合物（例えば、プロピレンオキシド）とがランダム共重合してなるエチレンオキシド・プロピレンオキシドランダム共重合体などであってもよい。なお、樹脂の酸素含有率は、公知の元素分析法で求めることができる。元素分析法としては例えば１０５０℃、ヘリウムキャリア中の無酸素状態下で試料（樹脂）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。

【0035】

また、酸素含有率の低い第２の樹脂１２としては、第１の樹脂１１と同様に、固体燃料として機能する燃焼性を有するとともに、シート状に成形可能な熱可塑性を有するものを採用する必要がある。第２の樹脂１２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。なお、ポリエチレンとポリプロピレン等、複数のポリオレフィン系樹脂を併用してもよい。ポリオレフィン系樹脂は、その構成分子中に酸素原子を含有しないため、前述した第１の樹脂１１との酸素含有率の差を大きくすることができる。これにより、ポリオレフィン系樹脂を前述した第１の樹脂１１と組み合わせてもちいることで、グレイン６０の酸素含有率を調整することが容易になる。その他、第２の樹脂１２としては、第１の樹脂１１よりも酸素含有率が低くなることを条件に、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； ポリイソブチレン； 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； ポリエチレングリコール系樹脂； ポリエチレンテレフタレート系樹脂； ポリメチルメタクリレート系樹脂； ポリカーボネート系樹脂； ナイロン－６，６； エポキシ樹脂などを用いることも可能である。

【0036】

このように前端１０ａから後端１０ｂにかけて第１の樹脂１１の含有量が増加する傾向にある固体燃料シート１０を渦巻状に巻回することによって、略円筒状のグレイン６０が作製される。このようにして作製されたグレイン６０は、その中心から外周に向かうにつれて固体燃料の酸素含有率が大きくなる。ハイブリッドロケットは、グレイン６０の中心の燃焼空間Ｓに液体酸化剤を供給して固体燃料を燃焼させるものであるため、グレイン６０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という課題があるが、グレイン６０の中心から外周に向かうにつれて固体燃料の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。そして、本発明によれば、このような効果を持つ構造を、少なくとも２種の酸素含有率の異なる樹脂によって実現することができる。

【0037】

図４は、図３に示した実施形態における固体燃料シート１０のバリエーションを示している。図４（ａ）に示した例では、第１の樹脂１１及び第２の樹脂１２が、それぞれ、固体燃料シート１０の短手方向（ｙ軸方向）全域に亘って延在する帯状をなしている。このような短手方向全域に延びる帯状の第１の樹脂１１と第２の樹脂１２とが、長手方向（ｘ軸方向）に交互に組み合わされることで、長尺の固体燃料シート１０が形成される。固体燃料シート１０の短手方向（ｙ軸方向）は、当該シートを巻回して円筒状のグレイン６０としたときに、そのグレイン６０の中心軸方向と平行になる。従って、図４（ａ）に示した例によれば、グレイン６０の中心軸方向において固体燃料の燃焼性能を均質化することができる。

【0038】

図４（ｂ）に示した例では、第１の樹脂１１と第２の樹脂１２のそれぞれが、固体燃料シート１０の長手方向（ｘ軸方向）と短手方向（ｙ軸方向）に分離可能なピースで構成されている。第１の樹脂１１と第２の樹脂１２の各ピースを組み合わせることで、ジグソーパズルのように、固体燃料シート１０を作製することができる。各ピースは、第１の樹脂１１と第２の樹脂１２のいずれかで構成されており、他のピースと嵌合するための凹部及び／又は凸部を有する。各ピースの大きさや凹凸の形状は規格化されており、ある程度自由に他のピースと繋ぎ合わせることができる。これにより、固体燃料シート１０内において第１の樹脂１１を自由に配置することができるため、固体燃料シート１０の酸素含有率の調整の自由度が向上する。また、固体燃料シート１０内における第１の樹脂１１の配置の変更も容易になることから、固体燃料シート１０の酸素含有率の調整の柔軟性が向上する。

【0039】

また、図４（ｂ）に示した例によれば、固体燃料シート１０の長手方向（ｘ軸方向）だけでなく、当該シートの短手方向（ｙ軸方向）においても、固体燃料シート１０の酸素含有率を変化させることができる。すなわち、図４（ａ）に示した例と比較すると理解し易いが、図４（ａ）に示した例では、固体燃料シート１０の長手方向（ｘ軸方向）に見ると第１の樹脂１１と第２の樹脂１２の両方が並んでいることから長手方向に酸素含有率が変化することになるが、固体燃料シート１０の短手方向（ｙ軸方向）に見ると第１の樹脂１１と第２の樹脂１２のいずれかしか存在しないことから短手方向の酸素含有率はほぼ均一である。一方で、図４（ｂ）に示した例によれば、第１の樹脂１１のピースの配置によっては、固体燃料シート１０の短手方向（ｙ軸方向）にも第１の樹脂１１と第２の樹脂１２の両方が並ぶように配置できるため、この短手方向においても酸素含有率を変化させることができる。従って、グレイン６０の用途に応じて、固体燃料シート１０の長手方向及び短手方向の酸素含有率を自由に調整できる。

【0040】

図４（ｃ）に示した例では、第１の樹脂１１及び第２の樹脂１２が、それぞれ、固体燃料シート１０の長手方向（ｘ軸方向）全域に亘って延在している。このとき、第１の樹脂１１は、固体燃料シート１０の前端１０ａから後端１０ｂに向かって徐々に横幅（ｙ軸方向の長さ）が広がっていく。その反面、第２の樹脂１２は、固体燃料シート１０の前端１０ａから後端１０ｂに向かって徐々に横幅（ｙ軸方向の長さ）が狭くなっていく。その結果、固体燃料シート１０全体で見たときに、第１の樹脂１１の含有量は、固体燃料シート１０の前端１０ａから後端１０ｂに向かって徐々に増加することになる。このような構成によっても、固体燃料シート１０の後半部Ｒに前半部Ｆと比べて質量比において第１の樹脂１１が多く含ませることが可能である。

【0041】

図５は、グレイン６０の第２の実施形態に関し、平面状に展開された固体燃料シート１０の長手方向（ｘ軸方向）の断面構造を模式的に表したものである。図５に示した第２の実施形態においても、展開状態の固体燃料シート１０は、前述した第１の実施形態（図３参照）と同様に、前端１０ａから後端１０ｂまでの長さを有し、その長手方向に前半部Ｆと後半部Ｒとに観念的に２等分され、さらに前半部Ｆと後半部Ｒはそれぞれ４つの部位Ｆ１～Ｆ４，Ｒ１～Ｒ４に区分されている。第２の実施形態については、第１の実施形態と同じ事項については説明を割愛し、第１の実施形態と異なる事項を中心に説明を行う。

【0042】

第２の実施形態は、前述した第１の実施形態とは異なり、固体燃料シート１０が厚み方向（ｚ軸方向）に複数の層に分かれている。図５に示した例では、固体燃料シート１０は、第１層Ｚ１、第２層Ｚ２、第３層Ｚ３、及び第４層Ｚ４の４層で構成されている。ただし、固体燃料シート１０を構成する層の数は、４層に限定されず、２層や３層であってもよいし、５層以上であってもよい。

【0043】

図５に示した例において、第１層Ｚ１、第２層Ｚ２、及び第３層Ｚ３は、それぞれ、固体燃料シート１０の長手方向（ｘ軸方向）に第１の樹脂１１と第２の樹脂１２とを突き合わすことによってシート状に構成されている。各層において第１の樹脂１１と第２の樹脂１２を接合する方法は、前述した第１の実施形態と同様であり、接着剤や、樹脂の融着、粘着テープなどを利用することができる。

【0044】

ここで、第１層Ｚ１から第３層Ｚ３は、長手方向（ｘ軸方向）全体に占める第１の樹脂１１と第２の樹脂１２の長さの割合がそれぞれ異なっている。具体的には、第１層Ｚ１では、第２の樹脂１２が、固体燃料シート１０の前半第１部Ｆ１（前端１０ａ）から後半第２部Ｒ２まで延在しており、第１の樹脂１１は、残りの後半第３部Ｒ３から後半第４部Ｒ４（後端１０ｂ）までのみとなる。このため、第１層Ｚ１は、長手方向における半分以上の領域が第２の樹脂１２となっている。また、第２層Ｚ２では、第２の樹脂１２が、固体燃料シート１０の前半第１部Ｆ１（前端１０ａ）から前半第４部Ｆ４まで延在しており、第１の樹脂１１が、残りの後半第１部Ｒ１から後半第４部Ｒ４（後端１０ｂ）まで延在している。このように、第２層Ｚ２では、長手方向において第１の樹脂１１と第２の樹脂１２が同じ長さとなっている。さらに、第３層Ｚ３では、第２の樹脂１２は、固体燃料シート１０の前半第１部Ｆ１（前端１０ａ）から前半第２部Ｆ２までのみとなり、第１の樹脂１１が、残りの前半第３部Ｆ３から後半第４部Ｒ４（後端１０ｂ）まで延在している。このため、第３層Ｚ３は、長手方向における半分以上の領域が第１の樹脂１１となっている。加えて、第４層Ｚ４は、長手方向全域に亘って第２の樹脂１２のみから構成されており、第１の樹脂１１は組み合わされていない。

【0045】

従って、これらの第１層Ｚ１から第４層Ｚ４を厚み方向に積層すると、第１の樹脂１１の含有量が、固体燃料シート１０の前端１０ａから後端１０ｂに向かって徐々に増加することとなる。すなわち、図５の示した例では、固体燃料シート１０の前半第１部Ｆ１と前半第２部Ｆ２には、第１の樹脂１１は存在しない。前半第３部Ｆ３と前半第４部Ｆ４には、第１の樹脂１１が第３層Ｚ３の１層分のみ存在する。後半第１部Ｒ１と後半第２部Ｒ２には、第１の樹脂１１が第２層Ｚ２と第３層Ｚ３の２層分存在する。後半第３部Ｒ３と後半第３部Ｒ３には、第１の樹脂１１が第１層Ｚ１から第３層Ｚ３の３層分存在する。このように固体燃料シート１０を層構造とし、各層における第１の樹脂１１と第２の樹脂１２の割合を異ならせることで、第１の樹脂１１の含有量が前端１０ａから後端１０ｂに向かって段々と増加するように調整することが可能である。

【0046】

なお、図示は省略するが、第２の実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様に、固体燃料シート１０の各層Ｚ１～Ｚ４は、固体燃料シート１０の長手方向（ｘ軸方向）だけでなく、固体燃料シート１０の短手方向（ｙ軸方向）にも、第１の樹脂１１と第２の樹脂１２が組み合わされていてもよい。この場合、固体燃料シート１０の各層Ｚ１～Ｚ４の構造は、例えば図４（ｂ）や図４（ｃ）に示した例に倣ったものとすればよい。

【0047】

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】

【0048】

１０…固体燃料シート
１０ａ…前端
１０ｂ…後端
１１…第１の樹脂
１２…第１の樹脂
Ｆ…前半部
Ｒ…後半部
２０…モーターケース
３０…酸化剤タンク
４０…噴射ノズル
５０…火薬
６０…グレイン
１００…ハイブリッドロケット
Ｓ…燃焼空間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】