特許 7250304 タービン駆動用ガスジェネレータの推進剤及びその製造方法

(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】

(24)【登録日】2023-03-24

(45)【発行日】2023-04-03

(54)【発明の名称】タービン駆動用ガスジェネレータの推進剤及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C10L 1/23 20060101AFI20230327BHJP

   C10L 1/02 20060101ALI20230327BHJP

   F02C 3/24 20060101ALI20230327BHJP

   F02K 7/16 20060101ALI20230327BHJP

【ＦＩ】

C10L1/23

C10L1/02

F02C3/24

F02K7/16

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2018179736

(22)【出願日】2018-09-26

(65)【公開番号】P2020050721

(43)【公開日】2020-04-02

【審査請求日】2021-09-09

(73)【特許権者】

【識別番号】504193837

【氏名又は名称】国立大学法人室蘭工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100095407

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 満

(74)【代理人】

【識別番号】100202913

【弁理士】

【氏名又は名称】武山 敦史

(74)【代理人】

【識別番号】100165515

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 清子

(74)【代理人】

【識別番号】100132883

【弁理士】

【氏名又は名称】森川 泰司

(72)【発明者】

【氏名】湊 亮二郎

【審査官】岡田 三恵

(56)【参考文献】

【文献】特表昭６０－５０１６１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０４２３９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００２－５３７２１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－０９１１９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－３３１４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５６－１５９２９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０３４９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１９３０７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１１９６４４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－１０７８９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表平１０－５００７１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ１０Ｌ １／２３

Ｃ１０Ｌ １／０２

Ｆ０２Ｃ ３／２４

Ｆ０２Ｋ ７／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アルコールとニトロメタンとを混合してなり、前記アルコールよりも前記ニトロメタンの重量の方が大きくなるように混合されているタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤。

【請求項2】

前記アルコールは、エタノール、メタノール、プロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール及びグリセリンからなる群より少なくとも一つが選択される、
請求項１に記載のタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤。

【請求項3】

アルコールとニトロメタンとを混合してなり、前記アルコールは、エタノールであり、前記エタノールに対する前記ニトロメタンの重量比は、０．８～２．５の範囲内であるタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤。

【請求項4】

メチルアミンが添加されている、
請求項１から３のいずれか１項に記載のタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか１項に記載のタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤の製造方法であって、
前記アルコールと前記ニトロメタンとをそれぞれ計量する計量工程と、
前記計量工程で計量された前記アルコールと前記ニトロメタンとを混合する混合工程と、
を含むタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、タービン駆動用ガスジェネレータの推進剤及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ガスジェネレータサイクル・エアターボラムジェットエンジン（以下、「ＧＧ－ＡＴＲエンジン」と称する。）は、従来のジェットエンジンよりも高い推重比を有するため、小型無人超音速機用のエンジンとして有望視されている。例えば、非特許文献１には、燃料であるエタノールと酸化剤である液体酸素とを別々にガスジェネレータに供給して燃焼ガスを発生させるＧＧ－ＡＴＲエンジンが開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】湊 亮二郎、ＧＧ－ＡＴＲエンジンのシステム作動特性について、室蘭工業大学航空宇宙機システム研究センター年次報告書、第２０１４巻、ｐ．２０－２２、２０１５年

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

エタノール及び液体酸素からなるＧＧ－ＡＴＲエンジンの推進剤は、毒性がなく、高い推力を得ることができる。しかし、液体酸素は、約－１８０℃の沸点を有する極低温流体であるため、ＧＧ－ＡＴＲエンジンのタンクに液体酸素を充填するには、多くの手間を要する。また、ＧＧ－ＡＴＲエンジンの作動を容易にするには、さらなる安全性を有し、常温でも貯蔵可能な推進剤が必要である。そして、このような問題は、ＧＧ－ＡＴＲエンジン用推進剤に限られず、他のタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤にも存在している。

【0005】

本発明は、このような背景に基づいてなされたものであり、ユーザにとって取り扱いが容易であり、常温でも貯蔵可能なタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤及びその製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係るタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤は、
アルコールとニトロメタンとを混合してなり、前記アルコールよりも前記ニトロメタンの重量の方が大きくなるように混合されている。

【0007】

前記アルコールは、エタノール、メタノール、プロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール及びグリセリンからなる群より少なくとも一つが選択されてもよい。

【0009】

上記目的を達成するために、本発明の第２の観点に係るタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤は、
アルコールとニトロメタンとを混合してなり、前記アルコールは、エタノールであり、前記エタノールに対する前記ニトロメタンの重量比は、０．８～２．５の範囲内である。

【0010】

メチルアミンが添加されていてもよい。

【0011】

上記目的を達成するために、本発明の第３の観点に係るタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤の製造方法は、
前記タービン駆動用ガスジェネレータの推進剤の製造方法であって、
前記アルコールと前記ニトロメタンとをそれぞれ計量する計量工程と、
前記計量工程で計量された前記アルコールと前記ニトロメタンとを混合する混合工程と、
を含む。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、ユーザにとって取り扱いが容易であり、常温でも貯蔵可能なタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤及びその製造方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施の形態に係るガスジェネレータサイクル・エアターボラムジェットエンジンの構成を示す図である。

【図2】エタノール及びニトロメタンの物性値を示す図である。

【図3】本発明の実施の形態に係る推進剤の製造方法の流れを示すフローチャートである。

【図4】実施例１における燃焼シミュレーションの解析条件を示す図である。

【図5】実施例１における比スラストとガスジェネレータ燃焼温度との関係を示すグラフである。

【図6】実施例１におけるＩｓｐとガスジェネレータ燃焼温度との関係を示すグラフである。

【図7】実施例１におけるラム燃焼器温度とガスジェネレータ燃焼温度との関係を示すグラフである。

【図8】実施例１におけるエタノールに対するニトロメタンの重量比とガスジェネレータ燃焼温度との関係を示すグラフである。

【図9】実施例２における比スラストとガスジェネレータ燃焼温度との関係を示すグラフである。

【図10】実施例２におけるＩｓｐとガスジェネレータ燃焼温度との関係を示すグラフである。

【図11】実施例２におけるラム燃焼器温度とガスジェネレータ燃焼温度との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施の形態に係るタービン駆動用ガスジェネレータの推進剤及びその製造方法を、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面においては、同一又は同等の部分に同一の符号を付している。

【0015】

なお、実施の形態では、タービン駆動用ガスジェネレータの推進剤及びその製造方法をガスジェネレータサイクル・エアターボラムジェット（Gas Generator Cycle Air Turbo Ramjet：ＧＧ－ＡＴＲ）エンジンに適用する場合を例に説明するが、本発明はこの場合に限られない。

【0016】

図１を参照して、ＧＧ－ＡＴＲエンジンの構成を説明する。ＧＧ－ＡＴＲエンジンは、ラムジェットエンジンの一種である。ラムジェットエンジンは、エアインテークで生じるラム圧により圧縮された圧縮空気に対して燃料を吹き付けて燃焼させることで推力を得るジェットエンジンである。

【0017】

ラムジェットエンジンは、マッハ３～５程度の超音速飛行に適しており、圧縮機による空気の圧縮が不要であるため、ターボジェットエンジンよりも構造が簡易である。その一方で、ラムジェットエンジンは、圧縮機による空気の圧縮が不要な所定の速度域に機体を到達させるため、別の推進系を必要とする。エアターボラムジェットエンジンは、ラムジェットエンジンの内部に、例えば、圧縮機のようなターボジェットエンジンと同等の機構を備えることで、機体が所定の速度域に達するまでターボジェットエンジンとして機能するように構成されている。

【0018】

ＧＧ－ＡＴＲエンジンは、推進剤をガスジェネレータで燃焼させることで発生した燃焼ガスをタービンに供給し、タービンで燃焼ガスと圧縮された空気とを混合して更に燃焼させるように構成されている。

【0019】

図１は、実施の形態に係るＧＧ－ＡＴＲエンジンの一部を長手方向に切断した断面図である。ＧＧ－ＡＴＲエンジン１は、タンク１１と、エアインテーク１２と、圧縮機１３と、ガスジェネレータ１４と、タービン１５と、ラム燃焼器１６と、ノズル１７と、を備える。

【0020】

タンク１１は、ガスジェネレータ１４に配管等を介して接続され、ガスジェネレータ１４に供給する推進剤を貯蔵するタンクである。タンク１１は、例えば、一液系推進剤であれば単一のタンクでよいが、燃料と酸化剤が必要な二液系推進剤であれば、燃料用のタンクと酸化剤用のタンクとを別々に備えて置く必要がある。

【0021】

エアインテーク１２は、ＧＧ－ＡＴＲエンジンの先端側に配置され、前方から取り入られた空気を圧縮機１３に供給する。

【0022】

圧縮機１３は、エアインテーク１２の後方に配置され、圧縮機１３に機械的に接続されたタービン１５が駆動されることでエアインテーク１２から取り込んだ空気を圧縮し、タービン１５に供給する。圧縮機１３は、タービン１５に接続された回転軸と、当該回転軸の外周面から径方向に延びる複数のブレードと、を備える。エアインテーク１２から取り込まれた空気は、回転するブレードにより圧縮されて後方に排出される。

【0023】

ガスジェネレータ１４は、タンク１１から推進剤が供給されるようにタンク１１に接続され、タンク１１から供給された推進剤を燃焼させ、発生した高温・高圧の燃焼ガスをタービン１５に供給する。

【0024】

タービン１５は、圧縮機１３の後方に配置され、ガスジェネレータ１４から供給された高温・高圧の燃焼ガスにより駆動され、圧縮機１３を駆動させる。タービン１５は、圧縮機１３に接続された回転軸と、当該回転軸の外周面から径方向に延びる複数の耐熱性ブレードとを備える。タービン１５の回転軸は、圧縮機１３の回転軸と中心軸が一致するように接続されている。タービン１５を構成する耐熱性ブレードの耐熱温度は約１１００Ｋである。ガスジェネレータ１４から供給された燃焼ガスは、タービン１５の耐熱性ブレードに噴射されることでタービン１５を駆動させた後、タービン１５の後方に排出される。

【0025】

ラム燃焼器１６は、タービン１５の後方に配置され、タービン１５から排出された燃焼ガスと圧縮機１３から供給された圧縮空気とを混合して、高温・高圧の燃焼ガスを更に燃焼させる。

【0026】

ノズル１７は、ラム燃焼器１６の後方に配置され、ラム燃焼器１６で更に燃焼された燃焼ガスを後方に噴射する。ノズル１７から燃焼ガスが噴射されることで、ＧＧ－ＡＴＲエンジンは推力を発生する。以上が、ＧＧ－ＡＴＲエンジンの構成である。

【0027】

次に、実施の形態に係るＧＧ－ＡＴＲエンジン用推進剤の組成を説明する。ＧＧ－ＡＴＲエンジン用推進剤は、燃料であるアルコールと酸化剤であるニトロメタンとの混合物である。

【0028】

図２は、アルコールの一例としてのエタノールとニトロメタンとの物性値を示す。図２に示す融点及び沸点から理解できるように、ニトロメタン及びエタノールは、いずれも常温で液体である。ニトロメタンは、アルコール分子とよく混ざり合う性質を有しており、両者を混合した状態で保存することができる。このため、アルコールとニトロメタンとを予め混合することで、二液系推進剤であっても実質的に一液系推進剤のように扱うことができる。

【0029】

推進剤のアルコールは、低級アルコールであることが好ましく、第一級アルコールであることがさらに好ましい。推進剤のアルコールとしては、例えば、エタノール、メタノール、プロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン等であるが、エタノール、メタノール、プロパノールであることが好ましく、エタノールであることがさらに好ましい。エタノールは、例えば、サトウキビ、トウモロコシ等のバイオマスを発酵・蒸留させて得られるバイオエタノール、他の発酵エタノール、合成エタノール等であってもよい。

【0030】

推進剤のアルコールは、単一の組成物から構成される場合に限られず、例えば、エタノール、メタノール、プロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール及びグリセリン等からなる群のうち少なくとも２つの種類のアルコールを混合したものであってもよい。複数種類のアルコールを混合する場合、例えば、Ｃ、Ｈ、Ｏの組成がエタノールと実質的に同一となるように混合することが好ましい。

【0031】

推進剤のニトロメタンは、燃料であるアルコールを酸化するための酸化剤としての役割を持つ。ニトロメタンは、外部からの衝撃に対して敏感でなく、その爆発力は黒色火薬と同程度である。そして、ニトロメタンは、アルコールと混合することで爆発の危険性が更に低減されるため、比較的容易に取り扱うことができる。

【0032】

ニトロメタンは、毒性が比較的低いため、その取り扱いが容易である。ニトロメタンの半数致死量（Lethal Dose, 50%：ＬＤ５０）は、約９４０ｍｇ／ｋｇである。ＬＤ５０は、投与した動物の半数が死亡する用量である。ニトロメタンのＬＤ５０は、３００ｍｇ／ｋｇ以上であるため、毒物・劇物取締法の毒物・劇物に該当せず、特別な管理を要しない。

【0033】

エタノールとニトロメタンとの重量比は、ＧＧ－ＡＴＲエンジン１の耐熱性を考慮すると、例えば、エタノール１．０に対してニトロメタンが約０．８～約２．５の範囲内であり、約１．４～約２．０の範囲内であることが好ましく、約１．７～約１．９の範囲内であることがさらに好ましい。

【0034】

ＧＧ－ＡＴＲエンジンは、ガスジェネレータ１４の燃焼温度（以下、「ＧＧ燃焼温度」と略称する。）が高温であるほど、推進効率が向上する。タービン１５を構成する耐熱性ブレードの耐熱温度が約１１００Ｋであるため、ＧＧ燃焼温度が１１００Ｋとなるようにエタノールとニトロメタンとの重量比を設定することが好ましい。ＧＧ燃焼温度を約１１００Ｋとするには、エタノールとニトロメタンとの重量比は、エタノール１．０に対してニトロメタン約１．８とすればよい。

【0035】

ＧＧ－ＡＴＲエンジン用推進剤には、エタノール及びニトロメタンの混合物に、微量のメチルアミンを添加してもよい。ニトロメタン単体では着火性が低いため、微量のメチルアミンを添加することで推進剤の着火性を向上できる。メチルアミンは、重量比でエタノールの約１／１０以下の量であることが好ましい。さらに言えば、エタノールとニトロメタンとメチルアミンとの重量比は、エタノール１．０に対してニトロメタンが約１．８、メチルアミンが約０．１であることが好ましい。

【0036】

次に、図３を参照して、ＧＧ－ＡＴＲエンジン用推進剤の製造工程の流れを説明する。図３は、ＧＧ－ＡＴＲエンジン用推進剤の製造工程の流れを示すフローチャートである。以下、ＧＧ－ＡＴＲエンジン用推進剤のアルコールとしてエタノールを選択した場合を例に説明する。

【0037】

まず、ＧＧ－ＡＴＲエンジン用推進剤を構成する材料であるエタノールとニトロメタンとを計量する（ステップＳ１）。ステップＳ１では、例えば、エタノール：ニトロメタン＝１．０：１．８の重量比となるように、エタノールとニトロメタンとを計量する。

【0038】

次に、ステップＳ１で計量されたエタノールとニトロメタンとを容器内で混合する（ステップＳ２）。より詳細に説明すると、タンク１１に投入する前に、ステップＳ１で計量されたエタノールとニトロメタンとを予め別の容器に投入して混合することで、ステップＳ２の工程を実行してもよい。また、ステップＳ１で計量されたエタノールとニトロメタンとをそれぞれタンク１１に直接投入することで、ステップＳ２の工程を実行してもよい。

【0039】

なお、ＧＧ－ＡＴＲエンジン用推進剤に微量のメチルアミンを添加する場合は、ステップＳ１でメチルアミンを計量し、ステップＳ２でメチルアミンをエタノール及びニトロメタンと共に混合すればよい。以上が、ＧＧ－ＡＴＲエンジン用推進剤の製造工程の流れである。

【0040】

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

【0041】

（実施例１）
本検証では、ＧＧ－ＡＴＲエンジンの燃焼状態を解析するための解析モデルを作成し、当該解析モデルを用いて対象となる燃料を燃焼させた場合の燃焼状態のシミュレーションを実施した。この燃焼シミュレーションは、ギブス自由エネルギ最小化法による化学平衡計算を利用したものである。なお、アメリカ航空宇宙局等の研究機関においても、ＣＥＡ（Chemical Equilibrium Application）等を用いた解析により、ロケットエンジンにおけるケロシンやエタノールの燃焼シミュレーションが実施されており、実際の燃焼結果によく近似することが実証されている。

【0042】

本検証では、本発明のエタノールＣ_２Ｈ_５ＯＨとニトロメタンＣＨ_３ＮＯ_２との混合物である「エタノール－ニトロメタン」に加えて、比較のためにヒドラジンＮ_２Ｈ_４（一液系推進剤）、末端水酸基ポリブタジエンと過塩素酸アンモニウムＮＨ_４ＣｌＯ_４との混合物である「末端水酸基ポリブタジエン－過塩素酸アンモニウム」（固定推進剤）、ケロシンｎ－Ｃ_１２Ｈ_２６と過酸化水素Ｈ_２Ｏ_２（濃度６０％又は１００％）との混合物である「ケロシン－過酸化水素」（二液系常温推進剤）をそれぞれ燃焼させた場合の燃焼シミュレーションをそれぞれ実施した。以下、「末端水酸基ポリブタジエン－過塩素酸アンモニウム」は、ＨＴＰＢ－ＡＰ（Hydroxyl Terminated Poly Butadiene-Ammonium Perchlorate）と略称する。

【0043】

ヒドラジンは、自己着火性を有しているが、ＬＤ５０が６０ｍｇ／ｋｇであり、極めて高い毒性を有する。ＨＴＰＢ－ＡＰは、固体推進剤であるため取り扱いが容易であると共に燃料供給用の配管が不要であるが、推力コントロールが困難である。また、ＨＴＰＢ－ＡＰは、火薬類取締法の規制の対象であるため厳重な管理が要求される。ケロシン－過酸化水素は、過酸化水素が高濃度の場合、爆発の危険がある。

【0044】

なお、ＨＴＰＢ－ＡＰをＧＧ－ＡＴＲエンジンで実際に燃焼させる場合、燃焼を安定させるために、例えば、アルミニウム、マグネシウム等の金属粉末を混合させる必要がある。他方、本検証では、計算の簡略化のため、金属粉末を混合しない状態で燃焼シミュレーションを実施した。

【0045】

図４は、燃焼シミュレーションにおけるエンジンパラメータ条件を示す。ＨＴＰＢ－ＡＰの場合、その他の推進剤の場合と比べてガスジェネレータ１４の燃焼圧力及びタービン１５の膨張比を高く設定できるため、ガスジェネレータ１４の燃焼圧力を４．５ＭＰａ（ａｂｓ）とし、タービン１５の膨張比を１６とした。そして、図４に示す条件のもとで燃焼状態の解析を実施した。

【0046】

以下、図５～図８を参照して、燃焼シミュレーションの結果を示す。図５は、各推進剤を燃焼させた場合の比スラストのシミュレーション結果を示すグラフである。縦軸は、比スラスト（ｋｇｆ ｓｅｃ／ｋｇ）であり、横軸は、ＧＧ燃焼温度（Ｋ）である。比スラストは、空気流量当たりの推力である。

【0047】

ＧＧ燃焼温度が１１００Ｋ以下の場合、エタノール－ニトロメタンの比スラストが他の推進剤よりも高くなることが理解できる。また、エタノール－ニトロメタンの比スラストは、約１０００Ｋ～約１０５０Ｋの範囲内で最大となる。タービン１５の耐熱性ブレードの耐熱性を考慮すると、ＧＧ燃焼温度は約１１００Ｋ以下に抑える必要があるため、実用域ではエタノール－ニトロメタンが比スラストにおいて最も優れている。

【0048】

図６は、各推進剤を燃焼させた場合のＩｓｐのシミュレーション結果を示すグラフである。縦軸は、Ｉｓｐ（ｓｅｃ）であり、横軸は、ＧＧ燃焼温度（Ｋ）である。Ｉｓｐは、比インパルスとも呼ばれ、単位燃料質量流量当たりの発生推力であり、自動車用エンジンの燃費に相当する。

【0049】

ＧＧ燃焼温度が１１００Ｋ以下の場合、エタノール－ニトロメタンのＩｓｐは、ＨＴＰＢ－ＡＰよりも高いことが理解できる。また、ＧＧ燃焼温度が約１１００Ｋの付近において、エタノール－ニトロメタンのＩｓｐは、Ｎ_２Ｈ_４のＩｓｐとよく一致していることが理解できる。Ｎ_２Ｈ_４の有毒性を考慮すると、エタノール－ニトロメタンの優位性が高いと判断できる。

【0050】

図７は、各推進剤を燃焼させた場合のラム燃焼器温度のシミュレーション結果を示すグラフである。縦軸は、ラム燃焼器１６の温度（Ｋ）であり、横軸は、ＧＧ燃焼温度（Ｋ）である。ラム燃焼器温度は、この数値が大きいほどＧＧ－ＡＴＲエンジンの推進効率が向上する。

【0051】

エタノール－ニトロメタンの場合、ＧＧ燃焼温度が約１１００Ｋのとき、ラム燃焼器温度が最大値となったのに対し、ＨＴＰＢ－ＡＰの場合、ＧＧ燃焼温度が１３００Ｋのとき、ラム燃焼器温度が最大値となった。このことは、ＨＴＰＢ－ＡＰの場合、ＧＧ燃焼温度を比較的高めに設定する必要があるのに対し、エタノール－ニトロメタンの場合、タービン１５の耐熱温度の上限値までＧＧ燃焼温度を設定すれば、ラム燃焼器温度を最大化できることを示している。

【0052】

図８は、エタノールとニトロメタンとの重量比を変化させた場合のＧＧ燃焼温度のシミュレーション結果を示すグラフである。縦軸は、エタノール（Ｆ）に対するニトロメタン（Ｏ）の比、横軸は、ＧＧ燃焼温度（Ｋ）である。

【0053】

タービン１５の耐熱性を考慮すると、ＧＧ燃焼温度が約１１００Ｋに設定する必要があるが、このときのＯ／Ｆ比が約１．８である。このため、エタノールとニトロメタンとの重量比がエタノール：ニトロメタン＝１．０：１．８であることが好ましいことが理解できる。

【0054】

（実施例２）
本検証では、実施例１と同一のＧＧ－ＡＴＲエンジンの燃焼状態を解析するための解析モデルを用いて、エタノール－ニトロメタン、メタノールとニトロメタンとからなる推進剤（以下、「メタノール－ニトロメタン」と称する。）、エタノール－ニトロメタンにメチルアミンを添加した推進剤（以下、「メチルアミン添加推進剤」と称する。）を燃焼させた場合における燃焼状態のシミュレーションを実施した。

【0055】

各シミュレーションにおけるエンジンパラメータ条件は、図４の「エタノール－ニトロメタン」の場合と同一である。なお、なお、メチルアミン添加推進剤は、エタノール９０％、メチルアミン１０％の重量比で燃料を含むものとした。

【0056】

図９は、図５と同様に、各推進剤を燃焼させた場合の比スラストのシミュレーション結果を示すグラフである。縦軸は、比スラスト（ｋｇｆ ｓｅｃ／ｋｇ）であり、横軸は、ＧＧ燃焼温度（Ｋ）である。メチルアミン添加推進剤の比スラストは、エタノール－ニトロメタンとほぼ一致する。また、メタノール－ニトロメタンの比スラストは、ＧＧ燃焼温度が約１０００Ｋ以下の範囲においてエタノール－ニトロメタンよりも大きいことが見て取れる。

【0057】

図１０は、図６と同様に、各推進剤を燃焼させた場合のＩｓｐのシミュレーション結果を示すグラフである。縦軸は、Ｉｓｐ（ｓｅｃ）であり、横軸は、ＧＧ燃焼温度（Ｋ）である。メチルアミン添加推進剤のＩｓｐは、エタノール－ニトロメタンと略一致する。また、メタノール－ニトロメタンのＩｓｐは、ＧＧ燃焼温度が約１０５０Ｋ以下の範囲においてエタノール－ニトロメタンよりも大きいことが見て取れる。

【0058】

図１１は、図７と同様に、各推進剤を燃焼させた場合のラム燃焼器温度のシミュレーション結果を示すグラフである。縦軸は、ラム燃焼器１６の温度（Ｋ）であり、横軸は、ＧＧ燃焼温度（Ｋ）である。メチルアミン添加推進剤のラム燃焼器温度は、エタノール－ニトロメタンと略一致する。また、メタノール－ニトロメタンのラム燃焼器温度は、ＧＧ燃焼温度が約１０００Ｋ以下の範囲においてエタノール－ニトロメタンよりも大きいことが見て取れる。

【0059】

以上から、エタノール－ニトロメタンに着火性を向上させるためのメチルアミンを添加しても、エタノール－ニトロメタンと同等の推進性能を実現できることを確認できた。また、ＧＧ－ＡＴＲエンジン用推進剤のエタノールをメタノールに置き換えたとしても、エタノール－ニトロメタンとほぼ同等の推進性能を実現できることを確認できた。

【0060】

なお、エタノール－ニトロメタンは、小型ガソリンエンジンの助燃剤としても用いられている。しかし、ＧＧ－ＡＴＲエンジンと小型ガソリンエンジンとでは、エタノール－ニトロメタンの燃焼形態が大きく異なる。より詳細に説明すると、ＧＧ－ＡＴＲエンジンでは、ガスジェネレータ１４において酸素が存在しない状態でメタノール－ニトロメタン自体が燃焼されるのに対し、小型ガソリンエンジンでは、燃料であるガソリンの燃焼を助けるために用いられ、酸素が供給されている状態でガソリンと共に燃焼される。

【0061】

（変形例）
本発明は上記の実施形態に限られず、以下に述べる変形も可能である。

【0062】

上記実施の形態では、アルコールとメチルアミンとを含む推進剤をＧＧ－ＡＴＲエンジ用推進剤として用いていたが、本発明はこれに限られない。例えば、アルコールとメチルアミンとを含む推進剤を他のタービン駆動用ガスジェネレータに用いてもよい。タービン駆動用ガスジェネレータは、例えば、ロケットエンジン用のターボポンプを駆動するために用いられてもよい。

【0063】

上記実施の形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の趣旨を逸脱しない範囲でさまざまな実施の形態が可能である。各実施の形態や変形例で記載した構成要素は自由に組み合わせることが可能である。また、特許請求の範囲に記載した発明と均等な発明も本発明に含まれる。

【符号の説明】

【0064】

１ ＧＧ－ＡＴＲエンジン
１１ タンク
１２ エアインテーク
１３ 圧縮機
１４ ガスジェネレータ
１５ タービン
１６ ラム燃焼器
１７ ノズル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】